Materiali ceramici in nitruro di alluminio: tutto ciò che devi sapere

Introduzione

Uno dei migliori materiali conduttori di calore disponibili oggi a livello globale è il nitruro di alluminio. Il nitruro di alluminio non solo conduce il calore in modo eccellente in diverse applicazioni, ma possiede anche la rigidità dielettrica necessaria per essere un eccezionale isolante elettrico. Non c'è da stupirsi che stia guadagnando così tanta popolarità e un utilizzo diffuso in così tanti settori. Nell'articolo di oggi, scoprirete le proprietà uniche, la sintesi e le applicazioni di questo materiale. materiale in nitruro di alluminio e riscaldatori in nitruro di alluminio. Imparerai anche come viene prodotto il nitruro di alluminio, le sfide che potresti incontrare e le attuali tendenze di mercato dei materiali in nitruro di alluminio.

A cosa serve il nitruro di alluminio?

Il nitruro di alluminio è un materiale ceramico eccezionalmente resistente al calore, composto da alluminio e azoto. Ha formula chimica AlN e una piccola massa atomica legata covalentemente. Questo composto cristallino incolore è considerato un isolante elettrico e un materiale semiconduttore di prim'ordine. In realtà, oggi non si può parlare di isolamento elettrico e conduttività termica senza menzionare i materiali ceramici AlN. Sono tra i migliori materiali da utilizzare per applicazioni che coinvolgono componenti elettronici ad alta potenza, riscaldatori e dissipatori di calore, perché possono diffondere e dissipare il calore a una velocità impressionante, indipendentemente dalla temperatura a cui sono sottoposti.

L'AlN è un nitruro solido di alluminio che esiste principalmente nella forma cristallina esagonale di wurtzite e nella fase metastabile cubica di blenda di zinco. A temperatura ambiente, questo nitruro di alluminio wurtzite (w-AlN) ha un band gap di 6 eV che gli consente di funzionare in modo efficiente alle frequenze ultraviolette profonde per l'optoelettronica. La semplice ma potente struttura di legame atomico dell'AlN è uno dei motivi principali per cui ha un'elevata conduttività termica di 320 w/mk-1. Impurità come l'ossigeno riducono la conduttività termica dell'AlN, mentre il drogaggio aumenta la conduttività elettrica del materiale. È interessante notare che è possibile utilizzare il nitruro di alluminio per ridurre il consumo energetico nei semiconduttori proteggendoli e rivestendoli con esso.

Proprietà dei materiali in nitruro di alluminio

Il materiale ceramico in nitruro di alluminio possiede numerose proprietà uniche che lo rendono eccezionale e utile in moltissimi settori. Eccone alcune:

• Elevata conduttività termica di 321 W/mk-1

• Ottimo isolante elettrico

• Capacità di funzionare in modo ottimale anche ad alte temperature.

• Basso coefficiente di dilatazione termica pari a 5,6 x 10-6K-1.

• Elevata resistenza alla compressione, durezza e resistenza agli shock termici.

• Elevato punto di fusione, circa 2.200 °C.

• Ampio bandgap di 6 eV, secondo solo a quello della berillia.

• Presenta una polarizzazione spontanea dovuta alla struttura cristallina esagonale della wurtzite.

• Elevata rigidità dielettrica con una costante dielettrica di 8,6.

• Elevata duttilità e limite elastico di 310 GPa.

• Finestra con trasparenza impressionante da 0,2μm a 13,6μm.

• Ottima compatibilità con i semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS).

• Elevata resistenza ai metalli fusi, ai cloruri, ai sali e agli alcali.

• Ha una densità di 3,32 g/cm³.

• Possiede una capacità termica specifica di 780 J.Kg/K-1.

Sintesi del materiale di nitruro di alluminio

Briegleb e Geuther furono i primi scienziati a sintetizzare (produrre) il nitruro di alluminio nel 1862 e, da allora, moltissime industrie sintetizzano questo importantissimo materiale semiconduttore. Oggi, è possibile sintetizzare il nitruro di alluminio in tre modi principali:

Riduzione carbotermica dell'allumina:

Questo è il metodo più comune per produrre nitruro di alluminio altamente puro e resistente all'acqua. In questo metodo, l'idrossido di alluminio o allumina viene riscaldato a una temperatura che raggiunge i 1.750 °C sotto un flusso di azoto gassoso e carbonio, che agisce principalmente come agente riducente.

Nitriturazione diretta dell'alluminio:

L'AlN può essere sintetizzato facendo reagire direttamente polvere di alluminio e azoto gassoso a temperatura e portata di azoto gassoso controllate. L'intervallo di temperatura per il riscaldamento è di 650 °C.

Deposizione chimica da vapore (CVD):

Questo metodo funziona meglio a temperature comprese tra 650 °C e 750 °C. In questo metodo, in determinate condizioni come un buon vuoto, il composto di cloruro di alluminio (AlCl3) viene nitrurato con ammoniaca gassosa o azoto per produrre AlN.

Applicazioni dei materiali in nitruro di alluminio

Le applicazioni del materiale ceramico in nitruro di alluminio interessano numerosi settori, tra cui:

Industria elettronica

È possibile utilizzare il nitruro di alluminio per produrre dissipatori di calore per dispositivi elettronici ad alta potenza come LED, computer o dispositivi mobili che richiedono una rapida dissipazione del calore. Può essere utilizzato anche per molti altri componenti microelettronici che richiedono densità elevate. I filtri RF, gli isolanti elettrici e i sensori di onde acustiche utilizzano tutti il materiale ceramico AlN.

Semiconduttori

I substrati di nitruro di alluminio vantano una capacità di raffreddamento unica, raramente riscontrabile in altri materiali semiconduttori. Non sorprende che sempre più industrie produttrici di semiconduttori stiano realizzando piastre riscaldanti, laser, anelli di serraggio, dispositivi per microonde e supporti per chip in materiale ceramico AlN.

Militare

È possibile utilizzare i materiali ceramici AlN per produrre armi e veicoli militari, come carri armati, abrasivi, proiettili di alta qualità, tra gli altri, grazie alla loro elevata capacità termica specifica e alla capacità di resistere agli shock termici.

Refrattario

Alcune industrie sfruttano ora la proprietà refrattaria dell'AlN per realizzare rivestimenti per forni, crogioli e isolanti termici, poiché il nitruro di alluminio può sopportare senza problemi temperature elevate e funzionare in modo ottimale senza perdere la forma.

Industria dei trasporti e dell'automotive

Sistemi radar, moduli di potenza, dispositivi aerospaziali, pezzi di ricambio per automobili e motori possono essere tutti prodotti con materiali ceramici AlN.

Processo di produzione del nitruro di alluminio

Per produrre componenti in nitruro di alluminio, è possibile utilizzare diversi processi, a seconda delle specifiche del prodotto, dei costi di produzione e dell'applicazione prevista. Alcuni di questi processi di produzione del nitruro di alluminio includono:

Pressatura isostatica a freddo (CIP)

È possibile produrre componenti in nitruro di alluminio attraverso questo processo applicando una pressione uniforme su tutti i lati della polvere di AlN prima di procedere alla lavorazione finale del nitruro di alluminio. Questo metodo produce materiali in nitruro di alluminio ad alte prestazioni.

Stampaggio a iniezione di ceramica (CIM)

Con questo metodo, bisogna mescolare la polvere di AlN con l'ausilio di un supporto organico (legante) e versarla in uno stampo a scelta (a seconda della forma desiderata). Successivamente, si rimuove il legante e, ad alte temperature e pressione, si sinterizza la polvere nella forma desiderata. La sinterizzazione serve a garantire che il materiale AlN abbia una densità costante.

Stampaggio a iniezione di polvere a bassa pressione

Se si desidera risparmiare sui costi e produrre comunque un materiale AlN di forma complessa, questo metodo è la soluzione migliore. È molto simile al metodo CIM, solo che viene eseguito a basse pressioni. Tuttavia, il materiale AlN può fessurarsi se non si rimuove correttamente il supporto organico.

Casting su nastro

Questo metodo consente di ottenere componenti in nitruro di alluminio denso che vantano un'elevata compatibilità con gli elettrodi metallici. Con questo metodo, innanzitutto, si mescolano opportunamente polvere di AlN, disperdente, vettore organico e un plastificante. Quindi, colandolo contro una superficie di supporto, si ottiene un nastro verde liscio che viene essiccato e sinterizzato per 2-3 minuti a temperature che raggiungono i 240 °C.

Lavorazione meccanica di precisione

Questo metodo di produzione del nitruro di alluminio prevede l'utilizzo di macchine CNC ad alta precisione per la rettifica e la formatura dell'AlN. Tuttavia, la produzione di piastre riscaldanti in nitruro di alluminio sta diventando un processo impegnativo a causa dell'estrema durezza del materiale ceramico AlN. Vibrazioni eccessive durante la lavorazione possono danneggiare o compromettere notevolmente l'efficacia degli utensili e delle macchine da taglio a causa dell'elevata resistenza alla compressione di questi componenti in nitruro di alluminio. Di conseguenza, è possibile utilizzare uno strumento più efficace come il diamante policristallino (PCD) per la lavorazione delle piastre in nitruro di alluminio, principalmente grazie alla componente di diamante in essi contenuta. Oltre alla natura tenace e dura delle piastre in nitruro di alluminio, un'altra sfida che i produttori devono affrontare quando cercano di lavorare le piastre riscaldanti in nitruro di alluminio è l'elevata conduttività termica e la fragilità del materiale, il che significa che potrebbe rompersi sotto forti sollecitazioni meccaniche se non viene maneggiato correttamente.

Caratteristiche dei riscaldatori in nitruro di alluminio

I riscaldatori in nitruro di alluminio sono elementi riscaldanti realizzati principalmente in nitruro di alluminio. Le numerose proprietà termiche ed elettriche uniche dell'AlN li rendono in grado di gestire qualsiasi tipo di temperatura elevata, nonché di garantire un eccellente trasferimento di calore in qualsiasi applicazione. Alcune delle proprietà dei riscaldatori in AlN sono:

• Temperatura massima di esercizio 1.000°C.

• Hanno una velocità di riscaldamento di circa 115°C al secondo.

• Hanno una densità di 3,26 g/cm³.

• Hanno una conduttività termica di 220w/mk-1

• Densità massima della cera di 155 W/cm²

• Hanno uno spessore che raggiunge circa 3 mm

Applicazioni dei riscaldatori in nitruro di alluminio

Il nitruro di alluminio può essere utilizzato per diverse applicazioni, ad esempio:

Optoelettronica

Grazie alla loro capacità di gestire temperature elevate e controllare l'energia termica, i riscaldatori in alluminio possono essere utilizzati nell'optoelettronica per produrre diodi laser, luci LED e altri dispositivi microelettronici.

industria dei semiconduttori

È possibile utilizzare i riscaldatori in nitruro di alluminio per applicazioni complesse come l'epitassia e la deposizione fisica da vapore (PVD), che richiedono la lavorazione dei wafer. È inoltre possibile testare le apparecchiature di misura nei dispositivi a semiconduttore.

Medicinale

I riscaldatori in nitruro di alluminio possono essere utilizzati anche in medicina per l'amplificazione del DNA. Questi riscaldatori in AlN vengono utilizzati nei laboratori di ricerca medica per produrre apparecchiature per diversi test di alto profilo, come quelli del DNA e la reazione a catena della polimerasi (PCR), grazie al loro preciso controllo della temperatura.

Produzione di piastre riscaldanti

Questi riscaldatori in alluminio possono essere utilizzati per realizzare le piastre riscaldanti che utilizziamo per riscaldare il cibo a casa. Possono anche essere utilizzati per realizzare piastre riscaldanti industriali.

Chimica

È possibile utilizzare i riscaldatori in AlN per produrre apparecchiature che richiedono temperature molto elevate per funzionare in modo ottimale. Alcune di queste apparecchiature possono essere utilizzate in chimica per cromatografia, spettrometria di massa, ecc.

Tendenze attuali del mercato del nitruro di alluminio

Nel 2023, il mercato globale del nitruro di alluminio ammontava a poco più di 151 milioni di tonnellate. Seguendo l'andamento del mercato nel 2024, si sarebbe registrato un notevole aumento di circa 11,51 tonnellate, con un mercato che ha raggiunto quota 168 milioni di tonnellate. Gli analisti di mercato hanno affermato che, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) di 5,61 tonnellate, si dovrebbe prevedere un valore di mercato di oltre 144 milioni di tonnellate entro il 2030, a causa dell'aumento della domanda globale e della forte concorrenza. Da allora, l'azienda nordamericana Surmet è diventata un attore chiave nella produzione e fornitura di AlN su larga scala. Qui, a ggsceramiche, puoi anche acquistare riscaldatori in nitruro di alluminio di alta qualità e a prezzi accessibili, materiali ceramici in nitruro di alluminio e prodotti di tua scelta.

Domande frequenti

Il nitruro di alluminio (AlN) è un materiale esplosivo?

No, normalmente l'AlN è un composto chimicamente inerte; tuttavia, in presenza di vapori clorurati e acidi, può esplodere.

Il nitruro di alluminio è tossico?

Sì, l'AlN può causare gravi danni se ingerito, inalato o ingerito. Può causare irritazioni cutanee e oculari o danneggiare il midollo osseo e i polmoni.

Qual è il materiale semiconduttore migliore tra il nitruro di alluminio e il carburo di silicio?

I materiali semiconduttori per l'elettronica ad alta potenza sono più efficaci quando presentano un'efficiente conduttività termica e dissipazione del calore. Ovviamente, il nitruro di alluminio supera gli altri semiconduttori in questo senso, grazie al suo band gap ultra-ampio, che lo rende superiore al carburo di silicio (SiC).

Conclusione

Il materiale ceramico in nitruro di alluminio sta aprendo nuove strade nel settore dei semiconduttori. Dalle piastre in nitruro di alluminio ai riscaldatori e ai dissipatori di calore in nitruro di alluminio, le applicazioni dell'AlN hanno finora interessato diversi settori; è un ottimo settore in cui investire e, senza dubbio, il futuro dei semiconduttori è assicurato con il nitruro di alluminio saldamente al posto di comando.