Konduktivitas termal aluminium nitrida: Hal yang perlu diketahui

Aluminium nitrida telah memacu keterlibatannya dalam sains dengan kemajuan dalam bidang keramik. AlN sangat baik dalam hal konduktivitas termal dan isolasi listrik. AlN juga memiliki kelebihan karena tidak menimbulkan bahaya kesehatan bagi pekerja selama proses pemesinan. Oleh karena itu, AlN dianggap lebih unggul daripada keramik pesaing lainnya.

Sifat-sifat AlN: Panduan cepat untuk merujuk

Berikut adalah panduan singkat untuk mempelajari semua sifat aluminium nitrida. Tabel ini akan membantu Anda menilai konteks penggunaan AlN.

Bagaimana Aluminium Nitrida disintesis?

Aluminium nitrida dapat diproduksi melalui nitridasi langsung Alumina. Cara produksi lainnya adalah dengan reduksi termal karbo alumina. Ikatan kovalen dalam AlN sangat kuat sehingga lebih sulit untuk disinter. Untuk memproduksi AlN melalui sintering, material tersebut memerlukan aditif khusus dalam bentuk cair.

Ada beberapa metode untuk memproduksi keramik tingkat lanjut. Produksi keramik nitrida secara global pada dasarnya dilakukan dengan pengepresan isostatik atau pengepresan kering. Metode lainnya termasuk pencetakan injeksi yang melibatkan keramik atau pencetakan injeksi berbasis tekanan rendah. Metode sintering AlN mempertimbangkan sintering plasma percikan, sintering tanpa tekanan, dan sintering gelombang mikro.

Proses pembentukan keramik nitrida ada dua jenis. Jenis kering dan basah. Pembentukan kering dapat berupa isostatik biasa dan dingin. Pembentukan basah digunakan untuk menghasilkan bentuk yang kompleks. Metode yang digunakan meliputi Slip, pengecoran gel pita, dan pencetakan injeksi.

Penjelasan rinci tentang sifat fisik Aluminium Nitrida

Aluminium nitrida, sesuai namanya, adalah nitrida dalam bentuk padat yang terbuat dari Alumina. Nitrida memiliki celah pita yang lebar. Massa atom yang kecil dan ikatan antar atom yang lebih tinggi membuat keramik ini kuat. Umumnya, keramik ini mengikuti struktur kristal wurtzite dan juga memiliki fase kubik metastabil.

Konduktivitas panas Aluminium berkisar antara 150 - 320 W/m K. Konduktivitas listrik Aluminium Nitrida berkisar antara 10-11 hingga 10-13. Ketika didoping, konduktivitas berkurang menjadi 10-5 atau 10-6. Secara umum, Aluminium dalam fase wurtzite memiliki aplikasi yang berkaitan dengan elektronik optik.

AlN stabil pada suhu tinggi sekitar 2200 derajat Celcius. Morfologinya terdiri dari lapisan oksida pada permukaan yang melindungi material pada suhu kerja 1370 derajat Celcius. Berbicara tentang ketahanan korosi, material ini rentan terhadap serangan yang disebabkan oleh alkali dan asam mineral. Namun, keramik nitrida tahan terhadap serangan dari garam cair.

Properti AlN: Sekilas

Berikut adalah ringkasan cepat dari sifat-sifat utama AlN

• Suhu operasi tinggi

• Konduktivitas termal yang sangat baik yang 5 kali lebih besar dari Alumina

• Nilai CTE Aln rendah

• Nilai konstanta dielektrik lebih kecil

• Resistivitas listrik dan sifat isolasi yang baik

• Ketahanan Kompresi yang Baik

• Ketahanan korosi yang baik kecuali asam dan alkali

• Kemurnian AlN berada pada sisi yang lebih tinggi

Aluminium Nitrida CTE

Koefisien ekspansi termal memberi kita gambaran yang jelas tentang perilaku suhu material. Keramik tingkat lanjut dikenal karena ekspansi termalnya yang lebih rendah. Nilai CTE akan memberi tahu kita bagaimana material mengembang di bawah suhu yang diterapkan. Namun, di bawah penerapan panas, struktur atom tetap stabil saat material mengembang.

Jika dibandingkan dengan logam, keramik canggih seperti AlN memiliki koefisien ekspansi termal setengah dari logam. Nilai CTE yang lebih rendah membuat keramik ini mempertahankan kekuatan mekanis di bawah kompresi. Dalam hal ekspansi termal, Zirconia dan Alumina memiliki peringkat tertinggi sedangkan Silicon Nitride dan Carbide memiliki peringkat terendah.

 Aluminium Nitrida CTE berada dalam kisaran 5,3 hingga 4,2 (x 10-6) K-1 sepanjang sumbu x dan z pada kisaran suhu kerja 300 K. Aluminium Nitrida CTE dianggap setara dengan Silikon.

Koefisien ekspansi termal dan efisiensi substrat keramik

Meskipun AlN unggul dalam sifat perpindahan suhu dan resistansi listrik yang baik yang membantu mikroelektronika, mari kita lihat dampak CTE terhadap kinerja substrat keramik berbasis Aln.

Dampak Ekspansi Termal pada Substrat DBC

Substrat DBC memiliki Aln atau Silikon Nitrida yang terikat pada tembaga. Perbedaan ekspansi termal antara Aln, Cu, dan SiN (4,5 ppm, 17 ppm, dan 3 ppm) menyebabkan tekanan mekanis yang tinggi. Tekanan tersebut menyebabkan retakan pada geometri. Retakan terbentuk sebagai akibat dari siklus kejut yang disebabkan selama pemanasan dan pendinginan keramik.

Oleh karena itu, pengelolaan CTE sangat penting untuk pengoperasian substrat keramik dalam jangka panjang. Perbandingan CTE yang berbeda dari berbagai bahan keramik telah diberikan di atas.

Konduktivitas Termal Aluminium Nitrida

Konduktivitas termal menunjukkan seberapa baik suatu material memungkinkan energi panas melewati apa pun. Konduktivitas termal AlN tinggi. Selain itu, material ini memiliki resistansi listrik yang tinggi yang membuatnya berguna sebagai material penghilang panas yang sangat baik. Konduktivitas keramik dipengaruhi oleh berbagai sifat.

Kehadiran pengotor dapat memengaruhi perpindahan panas secara lebih luas. Dengan peningkatan pengotor Oksigen, konduktivitas dikatakan meningkat untuk AlN. Lebih jauh lagi jumlah kekosongan yang ada dalam kisi kristal atau pengotor Silikon dan karbon menurunkan konduktivitas termal.

Sifat termal AlN dapat dikontrol selama proses produksi itu sendiri. Perubahan dalam struktur mikro dan berbagai kondisi selama pemrosesan membantu memvariasikan aliran termal. Penggunaan bubuk dengan kemurnian tinggi dan metodologi yang diadopsi dalam sintering secara signifikan meningkatkan konduktivitas termal.

Konduktivitas termal AlN, mengapa lebih disukai daripada BeO?

BeO dan AlN keduanya keramik yang memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Jadi, mereka dapat digunakan dalam aplikasi suhu tinggi. Mari kita bahas bagaimana AlN mengungguli BeO

Berilium Oksida (BeO)

Konduktivitas termal Beo berada pada kisaran 330 W/Mk. Pada dasarnya, Beo digunakan dalam situasi yang mana manajemen panas sangat penting. Berilium oksida karena konduktivitasnya yang kompetitif digunakan sebagai substrat dan isolator. Aplikasi lainnya termasuk pembuatan tabung, dalam gelombang mikro yang mana stabilitas termal penting.

Masalah dengan Beo adalah toksisitasnya. Berilium oksida berbahaya dan perlu penanganan yang hati-hati. Daur ulang dan penggunaan kembali keramik cukup bermasalah dalam hal penanganan BeO.

Aluminium Nitrida (AlN)

Konduktivitas Aluminium Nitrida relatif lebih rendah daripada BeO dalam kisaran 170-210 W/mK. Jika non-toksisitas lebih disukai, keramik Nitrida digunakan. Keramik ALN digunakan dalam LED dan elektronik semikonduktor untuk menghilangkan panas. AlN lebih disukai dalam aplikasi elektronik daya daripada BeO karena keunggulan yang dijelaskan.

Aln memiliki ketahanan listrik dan stabilitas panas yang tinggi sehingga menjadikannya bahan isolasi yang lebih baik. Aluminium Nitrida lebih disukai dalam aplikasi suhu tinggi dan digunakan dalam pasokan elektronik berbasis konsumen untuk memperlambat situasi penanganan yang tidak aman.

Konduktivitas berbagai keramik: Tinjauan Umum

Perbandingan antara konduktivitas berbagai material keramik diberikan dalam grafik di atas. Sesuai aturan umum, material dengan konduktivitas yang lebih rendah lebih disukai sebagai isolator listrik. Dari tabel yang diberikan, Zirkonia memiliki konduktivitas yang lebih rendah sehingga cocok sebagai isolator. Konduktivitas termal AlN sangat tinggi, begitu pula dengan pembuangan panasnya.

Salah satu penggunaan konduktivitas Aln yang menonjol adalah pada LED berdaya tinggi dan juga dioda. Instrumen ini umumnya menghasilkan panas. Sifat disipasi panas AlN membantu mencegah panas berlebih. Hal ini meningkatkan keandalan dan memastikan masa pakai yang lebih lama.

Dua teknik populer yang digunakan untuk mengukur konduktivitas termal AlN adalah metode kawat panas dan metode strip panas transien.

Penggunaan AlN secara industri

Penggunaan industri populer dari keramik Aluminium Nitrida telah disediakan di bawah ini:

• Tahan panas: AlN merupakan bahan tahan api yang baik. Ia digunakan sebagai pelapis wadah peleburan atau untuk memberikan dukungan struktural bagi cetakan pengecoran dan aksesori terkait.

• Substrat elektronik: Substrat AlN digunakan sebagai modul multi-chip militer. Substrat ini berfungsi sebagai papan pembuangan panas dalam elektronika daya, dioda laser, dan penyerap panas LED. Kapasitas pembuangan panas disebabkan oleh konduktivitasnya yang lebih baik.

• Mobil: Aluminium Nitrida digunakan dalam mesin pengapian mobil hibrida berbasis termal dan gas. Mereka stabil pada suhu tinggi.

• Bahan pengemas: Aluminium nitrida adalah bahan pengemasan yang baik yang tahan panas dan tahan lama.

Kesimpulan

Pengenalan Aluminium Nitrida telah memberikan fungsionalitas terbaik dalam aplikasi rekayasa suhu tinggi. Konduktivitas termal yang unggul dibandingkan dengan yang lain telah menghasilkan entitas pembuangan panas yang efisien dalam elektronika daya. Singkatnya, ada peningkatan dalam masa pakai dan kinerja material yang merupakan keunggulan Aluminium Nitrida.