Conduttività termica del nitruro di alluminio: cose da sapere

Il nitruro di alluminio ha stimolato il suo impegno nella scienza con il progresso della ceramica. L'AlN è eccellente in termini di conduttività termica e isolamento elettrico. L'AlN ha anche il merito di non presentare rischi per la salute degli operatori durante la lavorazione. Pertanto, l'AlN è considerato superiore ad altre ceramiche concorrenti.

Proprietà di AlN: una guida rapida per fare riferimento

Ecco una guida rapida per apprendere tutte le proprietà del nitruro di alluminio. La tabella vi aiuterà a valutare il contesto di utilizzo dell'AlN.

Come viene sintetizzato il nitruro di alluminio?

Il nitruro di alluminio può essere prodotto mediante nitrurazione diretta dell'allumina. L'altro metodo di produzione prevede la riduzione carbotermica dell'allumina. I legami covalenti nell'AlN sono molto forti, il che ne rende più difficile la sinterizzazione. Per produrre AlN tramite sinterizzazione, il materiale necessita di additivi speciali in forma liquida.

Esistono diversi metodi per produrre ceramiche avanzate. La produzione globale di ceramiche al nitruro avviene fondamentalmente mediante pressatura isostatica o pressatura a secco. Altri metodi includono lo stampaggio a iniezione con ceramica o a bassa pressione. Il metodo di sinterizzazione dell'AlN prevede la sinterizzazione al plasma a scintilla, la sinterizzazione senza pressione e la sinterizzazione a microonde.

Il processo di formatura della ceramica nitrurata è di due tipi: a secco e a umido. La formatura a secco può essere ordinaria o isostatica a freddo. La formatura a umido viene utilizzata per produrre forme complesse. I metodi includono la colata a barbottina, la colata a nastro e lo stampaggio a iniezione.

Dettagli sulle proprietà fisiche del nitruro di alluminio

Il nitruro di alluminio, come suggerisce il nome, è il nitruro nella sua forma solida, costituito da allumina. Ha un ampio bandgap. La piccola massa atomica e i legami interatomici più elevati rendono la ceramica resistente. Generalmente segue la struttura cristallina della wurtzite e presenta anche una fase cubica metastabile.

La conduttività termica dell'alluminio varia da 150 a 320 W/m K. La conduttività elettrica del nitruro di alluminio è compresa tra 10-11 e 10-13. Quando drogato, la conduttività si riduce a 10-5 o 10-6. In genere, l'alluminio nella sua fase wurtzite trova applicazioni nell'elettronica ottica.

L'AlN è stabile ad alte temperature, intorno ai 2200 °C. La morfologia è costituita da strati di ossido sulla superficie che proteggono il materiale a una temperatura di esercizio di 1370 °C. Per quanto riguarda la resistenza alla corrosione, è suscettibile agli attacchi causati da alcali e acidi minerali. Tuttavia, la ceramica al nitruro è resistente agli attacchi dei sali fusi.

Proprietà AlN: uno sguardo

Ecco un breve riassunto delle principali proprietà di AlN

• Alta temperatura di funzionamento

• Eccellente conduttività termica che è 5 volte maggiore dell'allumina

• Il valore CTE di Aln è basso

• Il valore della costante dielettrica è inferiore

• Buona resistività elettrica e proprietà di isolamento

• Buona resistenza alla compressione

• Buona resistenza alla corrosione, eccetto acidi e alcali

• La purezza dell'AlN è sul lato superiore

Nitruro di alluminio CTE

Il coefficiente di dilatazione termica ci fornisce un'idea precisa del comportamento termico del materiale. Le ceramiche avanzate sono note per la loro minore dilatazione termica. Il valore del CTE ci consente di capire come il materiale si espande in base alla temperatura applicata. Tuttavia, sotto l'applicazione di calore, la struttura atomica rimane stabile quando il materiale si espande.

Rispetto ai metalli, le ceramiche avanzate come l'AlN hanno un coefficiente di dilatazione termica pari alla metà di quello di un metallo. Il valore inferiore del CTE consente loro di mantenere la resistenza meccanica sotto compressione. In termini di dilatazione termica, Zirconia e Allumina si classificano ai livelli più alti, mentre Nitruro di Silicio e Carburo di Silicio ai livelli più bassi.

 Il CTE del nitruro di alluminio è compreso tra 5,3 e 4,2 (x 10-6) K-1 lungo gli assi x e z alla temperatura di esercizio di 300 K. Il CTE del nitruro di alluminio è considerato equivalente al silicio.

Coefficiente di dilatazione termica ed efficienza del substrato ceramico

Sebbene l'AlN eccella nelle proprietà di buon trasferimento di temperatura e resistenza elettrica, caratteristiche che favoriscono la microelettronica, vediamo quale impatto ha il CTE sul funzionamento dei substrati ceramici a base di Aln.

Impatto dell'espansione termica nel substrato DBC

Il substrato DBC presenta Aln o nitruro di silicio legati al rame. Le differenze di dilatazione termica tra Aln, Cu e SiN (4,5 ppm, 17 ppm e 3 ppm) causano elevate sollecitazioni meccaniche. Tali sollecitazioni inducono la formazione di cricche sulla geometria. Le cricche si formano a seguito di cicli di shock causati durante il riscaldamento e il raffreddamento della ceramica.

La gestione del CET è quindi cruciale per il funzionamento a lungo termine del substrato ceramico. Sopra è stato riportato un confronto tra i diversi CET di vari materiali ceramici.

Conduttività termica del nitruro di alluminio

La conduttività termica indica la capacità di un materiale di trasmettere energia termica. La conduttività termica dell'AlN è elevata. Inoltre, presenta un'elevata resistenza elettrica, che lo rende un ottimo materiale per la dissipazione del calore. La conduttività della ceramica è influenzata da diverse proprietà.

La presenza di impurità può influire maggiormente sul trasferimento di calore. Con l'aumento dell'impurità di ossigeno, si dice che la conduttività dell'AlN aumenti. Inoltre, il numero di posti vacanti presenti nel reticolo cristallino o di impurità di silicio e carbonio diminuisce la conduttività termica.

Le proprietà termiche dell'AlN possono essere controllate durante il processo di produzione. Le variazioni della microstruttura e le diverse condizioni di lavorazione contribuiscono a variare il flusso termico. L'utilizzo di polveri ad elevata purezza e la metodologia adottata nella sinterizzazione aumentano significativamente la conduttività termica.

Conduttività termica dell'AlN, perché è preferibile al BeO?

BeO e AlN sono entrambi materiali ceramici con elevata conduttività termica. Possono quindi essere utilizzati in applicazioni ad alta temperatura. Scopriamo in che modo AlN supera BeO.

Ossido di berillio (BeO)

La conduttività termica dei Beo è nell'intervallo di 330 W/Mk. Sono impiegati principalmente in situazioni in cui la gestione del calore è cruciale. L'ossido di berillio, grazie alla sua conduttività competitiva, viene utilizzato come substrati e isolanti. Un'altra applicazione include la produzione di tubi, nel microonde, dove la stabilità termica è importante.

Il problema del Beo è la sua tossicità. L'ossido di berillio è pericoloso e richiede una manipolazione attenta. Il riciclaggio e il riutilizzo della ceramica sono piuttosto problematici quando si tratta di gestire il BeO.

Nitruro di alluminio (AlN)

La conduttività del nitruro di alluminio è relativamente inferiore a quella del BeO, nell'intervallo 170-210 W/mK. Laddove si preferisca la non tossicità, la ceramica al nitruro trova impiego. La ceramica ALN viene utilizzata nell'elettronica LED e a semiconduttori per dissipare il calore. L'AlN è preferito al BeO nelle applicazioni di elettronica di potenza per i suoi meriti.

L'Aln ha un'elevata resistenza elettrica e stabilità al calore, che lo rendono un materiale isolante migliore. Il nitruro di alluminio è preferito nelle applicazioni ad alta temperatura e viene utilizzato nell'elettronica di consumo per prevenire situazioni di manipolazione non sicura.

Conduttività di vari tipi di ceramica: una panoramica

Il grafico sopra mostra un confronto tra la conduttività di diversi materiali ceramici. Come regola generale, un materiale con una conduttività inferiore è preferibile come isolante elettrico. Dalla tabella riportata, la zirconia ha una conduttività inferiore che la rende adatta come isolante. La conduttività termica dell'AlN è molto elevata, così come la dissipazione del calore.

Uno degli usi più importanti della conduttività dell'Aln è nei LED ad alta potenza e nei diodi. Questi strumenti generalmente generano calore. La proprietà di dissipazione del calore dell'AlN aiuta a prevenire il surriscaldamento, aumentando l'affidabilità e garantendo una maggiore durata.

Le due tecniche più diffuse utilizzate per misurare la conduttività termica dell'AlN sono il metodo del filo caldo e il metodo della striscia calda transitoria.

Uso industriale di AlN

Di seguito sono riportati gli usi industriali più comuni della ceramica al nitruro di alluminio:

• Refrattario: L'AlN è un buon refrattario. Viene utilizzato come rivestimento del crogiolo o per fornire supporto strutturale agli stampi di fusione e ai relativi accessori.

• Substrato elettronico: I substrati di AlN sono utilizzati come moduli multi-chip militari. Fungono da schede di dissipazione del calore nell'elettronica di potenza, nei diodi laser e nei dissipatori di calore dei LED. La capacità di dissipazione del calore è attribuita alla loro migliore conduttività.

• Automobili: Il nitruro di alluminio è utilizzato nei motori ibridi ad accensione termica e a gas per automobili. Sono stabili alle alte temperature.

• Materiale di imballaggio: I nitruri di alluminio sono ottimi materiali da imballaggio, resistenti al calore e durevoli.

Conclusione

L'introduzione del nitruro di alluminio ha garantito la migliore funzionalità nelle applicazioni ingegneristiche ad alta temperatura. La conduttività termica superiore rispetto alle altre tecnologie ha portato alla produzione di efficienti unità di dissipazione del calore nell'elettronica di potenza. In breve, si ottiene un aumento della durata e delle prestazioni dei materiali, merito del nitruro di alluminio.