Perkenalan
Salah satu bahan konduktor panas terbaik yang dapat Anda temukan di seluruh dunia saat ini adalah Aluminium Nitrida. Aluminium nitrida tidak hanya menghantarkan panas dengan sangat baik dalam berbagai aplikasi, tetapi juga memiliki kekuatan dielektrik yang dibutuhkan untuk menjadi isolator listrik yang luar biasa. Tidak mengherankan, bahan ini semakin populer dan digunakan secara luas di banyak industri. Dalam artikel hari ini, Anda akan mempelajari tentang sifat-sifat unik, sintesis, dan aplikasi bahan ini. bahan aluminium nitrida dan pemanas aluminium nitrida. Anda juga akan melihat bagaimana aluminium nitrida diproduksi, tantangan yang mungkin Anda hadapi, dan tren pasar material aluminium nitrida saat ini.
Untuk Apa Aluminium Nitrida Digunakan?
Aluminium Nitrida adalah material keramik yang sangat tahan panas yang terdiri dari Aluminium dan Nitrogen. Material ini memiliki rumus kimia AlN dan massa atom kecil yang terikat secara kovalen. Senyawa kristal tak berwarna ini dianggap sebagai material isolator listrik dan semikonduktor terbaik. Sebenarnya, saat ini kita tidak dapat berbicara tentang isolasi listrik dan konduktivitas panas tanpa menyebut material keramik AlN. Material ini merupakan salah satu material terbaik yang dapat digunakan untuk aplikasi yang melibatkan elektronik berdaya tinggi, pemanas, dan penyerap panas karena material ini dapat menyebarkan dan menghilangkan panas dengan kecepatan yang mengagumkan, terlepas dari suhu yang dikenakan pada material tersebut.
AlN adalah nitrida padat aluminium yang sebagian besar terdapat dalam bentuk kristal wurtzite heksagonal dan fase zinc blende kubik metastabil. Pada suhu ruangan, aluminium nitrida wurtzite (w-AlN) ini memiliki celah pita 6 eV yang memungkinkannya bekerja secara efisien pada frekuensi ultraviolet yang dalam untuk optoelektronik. Struktur ikatan atom AlN yang sederhana namun kuat merupakan salah satu alasan utama mengapa ia memiliki konduktivitas termal yang besar, yaitu 320 w/mk-1. Pengotor seperti oksigen mengurangi konduktivitas termal AlN, sementara doping meningkatkan konduktivitas listrik material tersebut. Menariknya, Anda dapat menggunakan aluminium nitrida untuk mengurangi laju konsumsi daya dalam semikonduktor dengan melindungi dan melapisinya dengannya.
Sifat-sifat Material Aluminium Nitrida
Material keramik aluminium nitrida memiliki banyak sifat unik yang membuatnya luar biasa dan bermanfaat di banyak sektor. Berikut ini beberapa di antaranya:
-
Konduktivitas termal tinggi 321 W/mk-1
-
Isolator listrik yang sangat baik
-
Kemampuan untuk bekerja secara optimal bahkan pada suhu tinggi.
-
Koefisien ekspansi termal rendah 5,6 x 10-6K-1.
-
Kekuatan tekan tinggi, kekerasan, dan ketahanan terhadap guncangan termal.
-
Titik leleh tinggi sekitar 2.200°C.
-
Celah pita lebar yang tinggi sebesar 6 eV, kedua setelah Beryllia.
-
Menunjukkan polarisasi spontan karena struktur kristal wurtzite heksagonal.
-
Kekuatan dielektrik tinggi dengan konstanta dielektrik 8,6.
-
Keuletan tinggi dan batas elastisitas 310 GPa.
-
Jendela transparansi yang mengesankan sebesar 0,2μm - 13,6μm.
-
Kompatibilitas yang lancar dengan Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS).
-
Ketahanan kuat terhadap logam cair, klorida, garam, dan alkali.
-
Memiliki kepadatan 3,32g/cm³.
-
Memiliki kapasitas panas spesifik 780 J.Kg/K-1.
Sintesis Material Aluminium Nitrida
Briegleb dan Geuther adalah ilmuwan pertama yang mensintesis (memproduksi) Aluminium Nitrida pada tahun 1862, dan sejak saat itu, banyak industri kini mensintesis bahan semikonduktor yang sangat penting ini. Kini, Anda dapat mensintesis bahan aluminium nitrida dengan tiga cara utama, yaitu:
Reduksi karbotermal Alumina:
Ini adalah cara yang paling umum untuk menghasilkan aluminium nitrida yang sangat murni dan tahan air. Dalam metode ini, aluminium hidroksida atau alumina dipanaskan hingga mencapai suhu 1.750°C di bawah aliran gas nitrogen dan karbon, yang bertindak terutama sebagai agen pereduksi.
Nitridasi Langsung Aluminium:
AlN dapat disintesis dengan mereaksikan langsung serbuk aluminium dan gas nitrogen pada suhu dan laju aliran gas nitrogen yang terkontrol. Kisaran suhu untuk pemanasan adalah 650°C.
Deposisi Uap Kimia (CVD):
Metode ini bekerja paling baik untuk suhu dalam kisaran 650°C - 750°C. Dalam metode ini, dalam kondisi tertentu seperti vakum yang baik, senyawa aluminium klorida (AlCl3) dinitridasi dengan gas amonia atau nitrogen untuk menghasilkan AlN.
Aplikasi Material Aluminium Nitrida
Aplikasi bahan keramik aluminium nitrida mencakup banyak industri, beberapa di antaranya adalah:
Industri Elektronik
Anda dapat menggunakan aluminium nitrida untuk menghasilkan heat sink untuk elektronik berdaya tinggi seperti LED, komputer, atau perangkat seluler yang memerlukan pembuangan panas cepat. Aluminium nitrida juga dapat digunakan untuk banyak hal lainnya komponen mikroelektronika yang membutuhkan kepadatan tinggi. Filter RF, isolator listrik, dan sensor gelombang akustik semuanya menggunakan bahan keramik AlN.
Semikonduktor
Substrat aluminium nitrida memiliki kemampuan pendinginan yang sangat unik yang jarang ditemukan pada bahan semikonduktor lainnya. Tidak mengherankan, semakin banyak industri semikonduktor yang memproduksi pelat pemanas, laser, cincin penjepit, perangkat microwave, dan pembawa chip dari bahan keramik AlN.
Militer
Anda dapat menggunakan material keramik AlN untuk memproduksi senjata dan kendaraan militer seperti tank lapis baja, bahan abrasif, peluru bermutu tinggi, dan lain-lain, karena kapasitas panas spesifiknya yang tinggi dan kemampuannya menahan guncangan termal.
Tahan panas
Beberapa industri kini memanfaatkan sifat tahan api AlN untuk membuat lapisan tungku, wadah peleburan, dan isolator termal karena aluminium nitrida dapat dengan nyaman menangani suhu yang keras dan bekerja secara optimal tanpa kehilangan bentuk.
Industri Transportasi dan Otomotif
Sistem radar, modul daya, perangkat kedirgantaraan, suku cadang mobil, dan mesin semuanya dapat diproduksi dari bahan keramik AlN.
Proses Pembuatan Aluminium Nitrida
Beberapa proses dapat digunakan untuk memproduksi komponen aluminium nitrida, tergantung pada spesifikasi produk, biaya produksi, dan aplikasi yang diinginkan. Beberapa proses produksi aluminium nitrida ini meliputi:
Pengepresan Isostatik Dingin (CIP)
Anda dapat membuat komponen aluminium nitrida melalui proses ini dengan menerapkan tekanan yang sama pada semua sisi serbuk AlN sebelum Anda akhirnya melanjutkan ke pemesinan aluminium nitrida. Metode ini menghasilkan material aluminium nitrida berkinerja tinggi.
Cetakan Injeksi Keramik (CIM)
Dalam metode ini, Anda harus mencampur bubuk AlN dengan bantuan pembawa organik (pengikat) dan menuangkannya ke dalam cetakan pilihan Anda (tergantung pada bentuk yang Anda inginkan). Setelah itu, Anda membuang pengikat dan, di bawah suhu dan tekanan tinggi, sintering ke dalam bentuk yang Anda inginkan. Sintering dilakukan untuk memastikan material AlN memiliki kepadatan yang kuat.
Cetakan Injeksi Serbuk Tekanan Rendah
Jika Anda ingin menghemat biaya dan tetap memproduksi material AlN berbentuk kompleks, maka metode ini adalah yang terbaik untuk Anda. Metode ini sangat mirip dengan metode CIM, hanya saja metode ini dilakukan pada tekanan rendah. Namun, material AlN Anda dapat retak jika Anda tidak membuang pembawa organik dengan benar.
Pengecoran Pita
Metode ini menghasilkan komponen aluminium nitrida padat yang memiliki kompatibilitas tinggi dengan elektroda logam. Dalam metode ini, pertama-tama, Anda mencampur bubuk AlN, dispersan, pembawa organik, dan plasticizer dengan benar. Kemudian, melemparkannya ke permukaan penyangga, Anda akan mendapatkan pita hijau halus yang Anda keringkan dan sinter selama 2-3 menit pada suhu mencapai 470°F.
Pemesinan Presisi
Metode pembuatan aluminium nitrida ini melibatkan penggunaan mesin CNC presisi tinggi untuk menggiling dan membentuk AlN. Namun, pembuatan pelat pemanas aluminium nitrida menjadi proses yang menantang karena kekerasan ekstrem dari bahan keramik AlN. Getaran yang berlebihan saat pemesinan dapat merusak atau sangat menghambat efektivitas alat pemotong dan mesin Anda karena kekuatan tekan yang tinggi dari bagian aluminium nitrida ini. Hasilnya, Anda dapat menggunakan alat yang lebih efektif seperti PolyCrystalline Diamond (PCD) untuk pemesinan pelat aluminium nitrida terutama karena komponen Diamond di dalamnya. Selain dari sifat pelat aluminium nitrida yang kuat dan keras, tantangan lain yang dihadapi produsen saat mencoba untuk mesin pelat pemanas aluminium nitrida adalah konduktivitas termal dan kerapuhan material yang tinggi, yang berarti dapat retak di bawah tekanan mekanis yang berat jika tidak ditangani dengan benar.
Karakteristik Pemanas Aluminium Nitrida
Pemanas aluminium nitrida adalah elemen pemanas yang diproduksi terutama dari bahan aluminium nitrida. Beberapa sifat termal dan listrik unik dari AlN membuatnya mampu menangani semua jenis suhu tinggi, serta perpindahan panas yang sangat baik dalam aplikasi apa pun yang Anda anggap sesuai. Beberapa sifat pemanas AlN adalah:
-
Suhu kerja maksimum 1.000°C.
-
Mereka memiliki kecepatan pemanasan sekitar 115°C per detik.
-
Mereka memiliki kepadatan 3,26g/cm³.
-
Mereka memiliki konduktivitas termal 220w/mk-1
-
Kepadatan lilin maksimum 155w/cm²
-
Mereka memiliki ketebalan mencapai sekitar 3mm
Aplikasi Pemanas Aluminium Nitrida
Anda dapat menggunakan aluminium nitrida untuk berbagai aplikasi, seperti:
Optoelektronik
Karena kemampuannya mengelola suhu tinggi dan mengendalikan energi termal, Anda dapat menggunakan pemanas aluminium dalam optoelektronik untuk memproduksi dioda laser, lampu LED, dan mikroelektronik lainnya.
Industri Semikonduktor
Anda dapat menggunakan pemanas aluminium nitrida untuk tugas-tugas rumit seperti epitaksi dan Physical Vapor Deposition (PVD), yang memerlukan pemrosesan wafer. Anda juga dapat menguji peralatan pengukuran pada perangkat semikonduktor.
Obat
Anda juga dapat menggunakan pemanas aluminium nitrida dalam bidang kedokteran untuk amplifikasi DNA. Pemanas AlN ini digunakan dalam ilmu laboratorium medis untuk memproduksi peralatan untuk beberapa pengujian tingkat tinggi seperti DNA dan Polymerase Chain Reaction (PCR), karena kontrol suhunya yang presisi.
Produksi Hot Plate
Pemanas aluminium ini dapat digunakan untuk memproduksi pelat pemanas yang Anda gunakan untuk memanaskan makanan di rumah. Pemanas ini juga dapat digunakan untuk membuat pelat pemanas industri.
Kimia
Anda dapat menggunakan pemanas AlN untuk memproduksi peralatan yang memerlukan suhu sangat tinggi agar berfungsi optimal. Beberapa peralatan ini dapat digunakan dalam bidang kimia untuk kromatografi, spektrometri massa, dll.
Tren Pasar Aluminium Nitrida Saat Ini
Pada tahun 2023, ukuran pasar global aluminium nitrida sedikit di atas $151 juta. Jika Anda mengikuti tren pasar pada tahun 2024, Anda akan melihat peningkatan yang signifikan sekitar 11,5% saat pasar meningkat menjadi $168 juta. Analis pasar telah mengatakan bahwa dengan Tingkat Pertumbuhan Tahunan Gabungan (CAGR) sebesar 5,6%, Anda seharusnya mengharapkan nilai pasar lebih dari $245 juta pada tahun 2030 karena meningkatnya permintaan global dan persaingan pasar yang ketat. Perusahaan Amerika Utara Surmet sejak saat itu telah menjadi pemain kunci dalam manufaktur dan pasokan AlN skala besar. Di sini, di keramik ggs, Anda juga dapat membeli pemanas aluminium nitrida berkualitas tinggi dan terjangkau, bahan keramik aluminium nitrida, dan produk pilihan Anda.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apakah Aluminium Nitrida (AlN) merupakan bahan peledak?
Tidak, pada umumnya, AlN merupakan senyawa kimia yang inert; namun, jika terkena uap terklorinasi dan asam, ia dapat meledak.
Apakah aluminium nitrida beracun?
Ya, AlN dapat menyebabkan bahaya serius jika tertelan, tertelan, atau terhirup. AlN dapat menyebabkan iritasi kulit dan mata atau merusak sumsum tulang dan paru-paru.
Manakah bahan semikonduktor yang lebih baik antara Aluminium Nitrida dan Silikon Karbida?
Bahan semikonduktor untuk elektronik berdaya tinggi lebih efektif jika memiliki konduktivitas termal dan pembuangan panas yang efisien. Jelas, bahan aluminium nitrida mengungguli semikonduktor lain dalam hal ini, karena celah pita yang sangat lebar, yang berarti bahan ini lebih unggul daripada Silikon Karbida (SiC) dalam hal ini.
Kesimpulan
Material keramik Aluminium Nitrida terus menerus merintis jalan baru dalam industri semikonduktor. Mulai dari pelat aluminium nitrida hingga pemanas dan penyerap panas aluminium nitrida, aplikasi AlN sejauh ini telah merambah beberapa industri; Ini merupakan sektor yang bagus untuk berinvestasi, dan tentu saja, masa depan semikonduktor terjamin dengan aluminium nitrida sebagai penggerak utamanya.