Perbandingan Konduktivitas Termal AlN vs. BeO dan AlN vs. BN: Apakah AlN Pilihan yang Optimal?

Inovasi teknik dan teknologi membantu industri menjauh dari kaca, plastik, logam, dan material tradisional lainnya yang sering kali harganya lebih mahal. Anda dapat beralih ke pilihan yang lebih ekonomis dan berkinerja tinggi, seperti material keramik canggih yang memungkinkan Anda menggunakannya di berbagai aplikasi. Sebagian besar material ini mengandung sifat kimia, mekanik, dan listrik yang sangat baik. Material ini juga dikenal karena ketahanannya terhadap korosi, kekerasan, kekokohan, dan ketahanan aus. Pada saat yang sama, opsi ini memberikan stabilitas termal yang sangat dibutuhkan agar aplikasi dapat beroperasi dengan sukses.

Sekarang, pertanyaannya adalah: material keramik mana yang lebih andal – Aluminium Nitrida (AlN), Berilium Oksida (BeO), atau Boron Nitrida (BN)? Masing-masing memiliki kekuatan fisik dan konduktivitas termal yang luar biasa, menjadikannya pilihan ideal untuk industri otomotif, elektronik, dan kedirgantaraan, yang membutuhkan material dengan kualitas pembuangan panas yang sangat baik.

Namun, untuk mengetahui mana yang lebih unggul dari yang lain, diperlukan pemahaman yang cukup tentang karakteristiknya. Pemahaman ini membantu menganalisis bagaimana kinerjanya dalam suhu tinggi tanpa mengorbankan integritasnya, yang menjadikan mereka bagian integral dari isolator, peralatan berdaya tinggi, heat sink, substrat elektronik, dan aplikasi lainnya. Biasanya, banyak aplikasi menggunakan Konduktivitas termal AlN dan sifat-sifat lainnya. Jadi, mari kita lakukan analisis perbandingan AlN dengan BeO dan BN untuk kejelasan.

Konduktivitas Termal BeO vs. AlN: Perbandingan

Aluminium Nitrida dan Berilium Oksida adalah dua keramik canggih yang paling dicari. Mereka dipilih karena atribut fisik dan stabilitas termal di beberapa industri dan untuk berbagai aplikasi.

-> BeO – Sifat Fisik, Kimia dan Termal

Oksida kristal putih ini menonjol karena kekuatan dan kekerasannya yang unggul. Oksida ini digunakan dalam lingkungan bersuhu tinggi karena titik lelehnya sekitar 2570°C. BeO menunjukkan ketahanan korosi yang luar biasa karena tidak reaktif terhadap banyak alkali dan asam dalam panas normal. Namun, oksida ini tidak dapat menahan asam pekat. Dalam hal sifat termal, oksida ini merupakan bahan penghantar panas yang sangat baik, dengan konduktivitas termal mencapai hingga 330 W/mK.

-> AlN - Sifat Fisik, Kimia dan Termal

Dengan kepadatan sekitar 3,26 g/cm³, aluminium nitrida menawarkan kekuatan mekanis yang luar biasa. Bahan ini dipilih karena konduksi panas dan kapasitas isolasi listriknya yang tinggi. Karena komposisi kimianya yang spesifik, bahan ini juga dapat menoleransi oksidasi dan lingkungan keras lainnya. Integritas dan sifat-sifatnya dapat tetap utuh bahkan dalam atmosfer reduksi atau inert hingga 2200°C. Berdasarkan bentuk dan kemurnian bahannya, AlN juga menunjukkan kemampuan perpindahan panas sekitar 170 hingga 200 W/mK, yang sebanding dengan bahan keramik lainnya.

Karena stabilitas termalnya yang lebih tinggi, BeO digunakan dalam isolator dan substrat listrik untuk menghilangkan panas dan meningkatkan masa pakai komponen elektronik. Gelombang mikro dan tabung laser juga diuntungkan darinya. Material keramik ini memiliki aplikasi yang lebih luas karena struktur kristalnya membantu mentransfer panas. Sayangnya, material ini harus ditangani dengan hati-hati dengan langkah-langkah keamanan yang memadai untuk menghindari efek toksiknya selama produksi dan daur ulang.

AlN dapat digunakan di lingkungan yang tidak beracun karena konduktivitas termalnya yang sesuai. Misalnya, pikirkan perangkat semikonduktor dan LED. Material ini bertindak seperti penyerap panas untuk menghilangkan panas dari area aktif dan meningkatkan kinerja perangkat. Karena sifatnya yang tidak beracun, material ini juga berguna dalam aplikasi elektronika daya.

Singkatnya, BeO lebih andal dalam kondisi suhu tinggi yang dapat menimbulkan risiko toksisitas. Di sisi lain, AlN lebih cocok untuk kondisi industri dan elektronik konsumen, yang mengutamakan keselamatan dan kesehatan. Produk ini lebih diuntungkan dari manajemen termal dan non-toksisitasnya.

Analisis Kompetitif Konduktivitas Termal AlN dan BN

Meningkatnya penggunaan material keramik dalam aplikasi khusus yang membutuhkan teknologi tinggi konduktivitas termal atau resistensi membuat para industrialis dan perusahaan manufaktur mencari lebih banyak alternatif. Anda sudah tahu BeO menghadapi batasan karena sifatnya yang beracun. Namun, ada bahan lain seperti BN, yang juga menjanjikan pengalaman yang lebih baik. Namun, bagaimana kinerjanya terhadap AlN perlu dilihat.

BN adalah material yang dipres panas dan tersedia dalam bentuk potongan padat atau bubuk berukuran besar. BN memiliki banyak tingkatan yang menentukan tingkat kemurnian produk. Hanya material dengan kemurnian tertinggi yang dapat menawarkan konduktansi termal yang sangat baik dan mengungguli material lainnya. Itu berarti konduktivitas termal BN tunduk pada standar kemurnian yang tinggi. Namun, perlu diingat bahwa bahan tersebut mungkin kurang kuat secara mekanis dan lebih lunak.

AlN terutama diakses dalam bentuk substrat di seluruh dunia. Konduktivitas termal AIN dapat bervariasi tergantung pada kualitas dan mutunya. Tingkat kemurnian tinggi sekitar 220 W/mK, standar industri adalah 170-180 W/mK, dan kualitas yang lebih rendah berada pada 150 W/mK. Meskipun demikian, kekuatan mekanis dan stabilitas termal AlN sesuai dengan berbagai aplikasi, seperti substrat semikonduktor, heat sink, dan elektronik lainnya. BN berguna dalam lingkungan yang membutuhkan pelumasan dan ketahanan termal. Dalam bentuk heksagonal, BN banyak digunakan dalam bidang kedirgantaraan dan nuklir. BN digunakan dalam pelapis dan pelumas.

Kasus penggunaan AlN dalam PCB dan Semikonduktor

Selain konduktivitas termal, kemampuan material keramik juga diperiksa berdasarkan Koefisien Ekspansi Termal (CTE). CTE membantu melacak perubahan fraksional pada panjang material saat terpapar suhu berbeda pada tekanan yang sama. Aluminium nitrida CTE relatif rendah, membuatnya jauh lebih baik daripada keramik canggih lainnya dan sangat andal untuk berbagai aplikasi utama seperti Papan Sirkuit Cetak (PCB) dan semikonduktor.

Manfaat AlN dalam PCB

PCB digunakan di berbagai industri, seperti telekomunikasi, energi, kedirgantaraan dan pertahanan, otomotif, dll. Namun, mari kita ambil contoh perangkat medis, yang merupakan bagian dari industri perawatan kesehatan yang tumbuh pesat karena meningkatnya permintaan. Peralatan medis harus memiliki kapasitas manajemen panas yang baik dan aman. Integrasi AlN dalam PCB membantu mencapai tujuan ini. Karena pembuangan panas, isolasi, kinerja, dan persyaratan perawatan yang rendah dari AlN, perangkat medis menjadi tahan lama dan andal. Bahan ini diaplikasikan pada perangkat berisiko tinggi seperti peralatan diagnostik dan pencitraan medis. Kisaran konduktivitas termalnya adalah 170-200 W/mK. Karena itu, ia dapat mengelola panas dengan baik, bahkan pada perangkat berdaya tinggi seperti laser medis dan pemindai CT.

Demikian pula, kisaran kekuatan dielektrik optimum AlN adalah 15-20 kV/mm, yang membuatnya aman untuk peralatan tegangan tinggi yang memerlukan perlindungan dari gangguan listrik tanpa mengurangi kinerja.

Peralatan medis mengalami kemajuan pesat dalam teknologi. Peralatan canggih mendapatkan keuntungan dari konduktivitas termal, stabilitas, dan sifat perawatan rendah dari AlN. Namun, material tersebut terus ditingkatkan atau disempurnakan untuk mengembangkan dan mempertahankan standar ketahanan terhadap kelembapan dan panas yang lebih tinggi untuk peralatan medis yang dapat dikenakan dan yang tidak terlalu invasif.

Manfaat AlN dalam Industri Semikonduktor

Universitas Al-Nah, tegangan isolasi, kekuatan, dan kualitas lainnya menjadikannya pilihan yang tepat untuk bidang semikonduktor. senyawa aluminium nitrida memiliki struktur heksagonal dengan ikatan kovalen dan parameter kisi a = 3,114 dan c = 4,986. Material dengan tingkat kemurnian tinggi tampak putih kebiruan, dan AlN biasanya berperilaku dalam warna putih pucatnya. Dengan mempertimbangkan sifat listriknya, Anda akan menemukan bahwa elektronegativitas AlN murni pada suhu ruangan lebih dari 1014Ω-cm, yang menunjukkan kekuatan isolasinya. CTE kopling elektromekanisnya adalah 0,8%. Ketahanan korosi material ini merupakan proposisi menarik lainnya yang menunjukkan bahwa material ini dapat menahan banyak jenis logam dan garam cair, seperti tembaga, timbal, aluminium, nikel, perak, galium arsenida, dll.

AlN termasuk dalam material semikonduktor generasi ke-3 karena memberikan titik jenuh elektron, ketahanan radiasi, medan listrik, dan celah pita yang sangat baik. Studi menunjukkan bahwa AlN dapat mentoleransi 7,3 megavolt medan listrik per cm, jauh lebih baik daripada silikon seperti galium nitrida dan silikon karbida. Selain itu, sistem AlN juga memungkinkan aliran arus yang lancar. Namun, salah satu tantangan yang dihadapi material ini adalah doping—memasukkan unsur pengotor untuk meningkatkan konsentrasi pembawa muatan semikonduktor. Namun, ini merupakan strategi yang baru muncul, dan para peneliti terus berupaya menemukan cara untuk menjadikan AlN sangat cocok untuk semikonduktor.

Kesimpulan

Material keramik canggih, seperti AlN, Beo, dan BN, hemat biaya dan berkinerja tinggi dibandingkan dengan logam, kaca, dan plastik. Namun, substrat keramik ini unik dan digunakan di lingkungan yang berbeda berdasarkan komposisi dan faktor risikonya. Misalnya, AlN yang tidak beracun digunakan secara luas dalam banyak aplikasi karena stabilitas termal dan konduktivitasnya.

Tanya Jawab Umum

Apa sebenarnya AlN itu?

Perangkat listrik dan sektor lainnya selalu mencari material yang lebih baik dengan kinerja manajemen termal yang tinggi karena kemampuan isolasi dan perpindahan panasnya. AlN dapat dengan cepat memenuhi harapan ini. Ia juga dianggap sebagai alternatif yang lebih aman untuk industri semikonduktor daripada BeO. Anda juga dapat menganggapnya sebagai material keramik teknis.

Apa tujuan keramik AlN?

Isolasi yang luar biasa, konduktivitas termal, kehilangan dielektrik yang rendah, dan kemampuan menahan erosi plasma adalah kekuatan yang memungkinkan bahan ini dipadukan dalam peralatan semikonduktor, OLED, dan perangkat lain untuk umur panjang dan kinerja yang luar biasa.

Tindakan pencegahan apa yang harus diambil saat bekerja dengan keramik AlN?

Mereka tidak dapat direndam dalam air, alkali, asam anorganik, atau bahan sejenis lainnya karena kemungkinan terjadinya reaksi kimia. Namun, AlN tidak terpengaruh oleh kriolit, klorida, dan garam cair lainnya.

Apa yang dapat dilakukan untuk melindungi PCB AlN dari masalah kelembaban pada perangkat medis?

Kinerja AlN dapat diamankan dan dijaga melalui enkapsulasi dan lapisan pelindung.

 Di mana Anda menggunakan AlN?

Seperti yang disinggung di atas, ini dapat digunakan dalam laser, penyebar panas, penyerap panas, perangkat semikonduktor, pemrosesan wafer silikon, perangkat mikroelektronik, paket elektronik, sensor dan detektor, dan banyak lagi.