窒化アルミニウムの熱伝導率：知っておくべきこと

窒化アルミニウムは、セラミックスの進歩とともに科学分野への進出を加速させてきました。AlNは熱伝導性と電気絶縁性に優れており、加工時に作業員に健康被害を与えないという利点もあります。そのため、AlNは他の競合セラミックスよりも優れていると考えられています。

AlNの特性：参考になるクイックガイド

窒化アルミニウム（AlN）のすべての特性を網羅したクイックガイドです。この表は、AlNの使用状況を判断するのに役立ちます。

窒化アルミニウムはどのように合成されるのでしょうか?

窒化アルミニウムは、アルミナの直接窒化によって製造できます。その他の製造方法としては、アルミナの炭化熱還元があります。AlNの共有結合は非常に強く、焼結が困難です。焼結法でAlNを製造するには、特殊な液体添加剤が必要です。

先進セラミックスの製造方法はいくつかあります。窒化物セラミックスの世界的な生産は、基本的に等方圧成形法または乾式成形法によって行われています。その他の方法としては、セラミックスを成形する射出成形法や低圧射出成形法などがあります。AlNの焼結方法としては、放電プラズマ焼結法、加圧焼結法、マイクロ波焼結法などが挙げられます。

窒化物セラミックの成形プロセスには、乾式と湿式の2種類があります。乾式成形は通常の成形法と冷間静水圧成形法のいずれかです。湿式成形は複雑な形状の製造に用いられます。成形法には、スリップ成形、テープゲル成形、射出成形などがあります。

窒化アルミニウムの物理的特性の詳細

窒化アルミニウムは、その名の通り、アルミナからなる固体の窒化物です。広いバンドギャップを有し、原子質量が小さく、原子間結合が強いため、セラミックは強固です。一般的にウルツ鉱型結晶構造をとり、準安定立方晶系も持ちます。

アルミニウムの熱伝導率は150～320W/m・Kです。窒化アルミニウムの電気伝導率は約10-11～10-13です。ドーピングすると、伝導率は10-5または10-6に低下します。一般的に、ウルツ鉱型アルミニウムは光エレクトロニクス関連の用途に使用されます。

AlNは約2200℃の高温でも安定しています。表面には酸化物層が形成されており、1370℃の動作温度でも材料を保護します。耐食性に関しては、アルカリや鉱酸による腐食には弱いですが、窒化物セラミックは溶融塩による腐食には耐性があります。

AlNの特性：概要

AlNの主な特性を簡単にまとめると次のようになります。

• 高温動作

• アルミナの5倍の優れた熱伝導率

• AlnのCTE値は低い

• 誘電率の値は

• 優れた電気抵抗性と絶縁性

• 優れた圧縮抵抗

• 酸とアルカリを除く優れた耐腐食性

• AlNの純度は高め

窒化アルミニウムの熱膨張係数

熱膨張係数は、材料の温度挙動を鮮明に示します。先進セラミックスは熱膨張率が低いことで知られています。CTEの値は、材料が加熱下でどのように膨張するかを示します。しかし、加熱下でも材料が膨張しても、原子構造は安定したままです。

AlNなどの先進セラミックスは、金属と比較すると熱膨張係数が半分です。CTEが低いため、圧縮下でも機械的強度を維持できます。熱膨張率の点では、ジルコニアとアルミナが最も高く、窒化ケイ素と炭化物が最も低くなります。

 窒化アルミニウムの CTE は、動作温度範囲 300 K で、x 軸と z 軸に沿って 5.3 ～ 4.2 (x 10-6) K-1 の範囲にあります。窒化アルミニウムの CTE はシリコンと同等であると考えられています。

熱膨張係数とセラミック基板の効率

AlNは、マイクロエレクトロニクスを支える優れた温度伝導性と電気抵抗特性を備えていますが、CTEがAlnベースのセラミック基板の動作にどのような影響を与えるかを見てみましょう。

DBC基板の熱膨張の影響

DBC基板は、AlNまたはSiNを銅に接合したものです。AlN、Cu、SiNの熱膨張率差（それぞれ4.5ppm、17ppm、3ppm）により、高い機械的応力が発生します。この応力によって、形状に亀裂が生じます。これらの亀裂は、セラミックの加熱・冷却時に発生する衝撃サイクルの結果として発生します。

したがって、セラミック基板の長期的な使用には、熱膨張係数（CTE）の管理が極めて重要です。上記では、様々なセラミック材料の熱膨張係数（CTE）の比較を示しました。

窒化アルミニウムの熱伝導率

熱伝導率は、材料が熱エネルギーをどれだけ透過させるかを表します。AlNは高い熱伝導率を持ちます。さらに、高い電気抵抗も備えているため、優れた放熱材料として有用です。セラミックの熱伝導率は、様々な特性によって影響を受けます。

不純物の存在は熱伝達に大きな影響を与える可能性があります。AlNでは、酸素の不純物が増加すると熱伝導率が上昇すると言われています。さらに、結晶格子中の空孔数やシリコンおよび炭素の不純物は熱伝導率を低下させます。

AlNの熱特性は製造プロセス自体で制御可能です。微細構造の変化と加工中の様々な条件によって熱流が変化します。高純度粉末の使用と焼結方法の工夫により、熱伝導率が大幅に向上します。

AlN の熱伝導率、なぜ BeO よりも優れているのでしょうか?

BeOとAlNはどちらも高い熱伝導率を持つセラミックです。そのため、高温用途にも使用できます。では、AlNがBeOを凌駕する点を見ていきましょう。

酸化ベリリウム（BeO）

Beoの熱伝導率は330W/Mkです。主に熱管理が重要な用途で使用されます。酸化ベリリウムは、その優れた熱伝導率から、基板や絶縁体として使用されます。その他の用途としては、熱安定性が重要となる電子レンジ用チューブの製造などがあります。

Beoの問題は、その毒性です。酸化ベリリウムは危険物質であり、慎重な取り扱いが必要です。BeOの取り扱いに関しては、セラミックのリサイクルと再利用は非常に困難です。

窒化アルミニウム（AlN）

窒化アルミニウムの導電率は170～210W/mKの範囲で、BeOよりも比較的低いです。無毒性が求められる用途では、窒化物セラミックが活用されています。ALNセラミックは、LEDや半導体エレクトロニクスの放熱に使用されます。AlNは、前述の利点から、パワーエレクトロニクス用途においてBeOよりも好まれています。

AlNは高い電気抵抗と熱安定性を備えており、優れた絶縁材料となります。窒化アルミニウムは高温用途に適しており、消費者向け電子機器の供給において、危険な取り扱い状況を回避するために使用されています。

各種セラミックの導電率：概要

上のグラフは、様々なセラミック材料の導電性の比較を示しています。一般的なルールとして、導電性の低い材料は電気絶縁体として好まれます。表から、ジルコニアは導電性が低いため、絶縁体として適していることがわかります。AlNは熱伝導率が非常に高く、放熱性も優れています。

AlNの導電性の顕著な用途の一つは、高出力LEDやダイオードです。これらの機器は一般的に熱を発生しますが、AlNの放熱特性は過熱防止に役立ちます。これにより信頼性が向上し、長寿命化が実現します。

AlN 熱伝導率を測定するために使用される一般的な 2 つの手法は、ホットワイヤ法と過渡ホットストリップ法です。

AlNの産業利用

窒化アルミニウムセラミックの一般的な工業用途は以下の通りです。

• 耐火性AlNは優れた耐火物です。るつぼのライニングや、鋳型や関連部品の構造的支持材として使用されます。

• 電子基板AlN基板は、軍事用マルチチップモジュールとして使用されています。パワーエレクトロニクス、レーザーダイオード、LEDヒートシンクなどの放熱基板として機能します。優れた放熱性は、AlN基板の優れた導電性に起因しています。

• 自動車窒化アルミニウムは、熱電併給およびガス電着のハイブリッド自動車点火エンジンに使用され、高温でも安定しています。

• 包装材: 窒化アルミニウムは耐熱性と耐久性に優れた包装材料です。

結論

窒化アルミニウムの導入により、高温工学用途において最高の機能性が実現しました。他の材料よりも優れた熱伝導率により、パワーエレクトロニクスにおける効率的な放熱部品の製造が可能になりました。つまり、材料の寿命と性能が向上することが窒化アルミニウムのメリットです。