Invoering
Een van de beste warmtegeleidende materialen die momenteel wereldwijd verkrijgbaar is, is aluminiumnitride. Aluminiumnitride geleidt warmte niet alleen uitstekend in diverse toepassingen, maar heeft ook de vereiste diëlektrische sterkte om een uitzonderlijke elektrische isolator te zijn. Geen wonder dat het zo populair wordt en in zoveel industrieën wijdverbreid wordt gebruikt. In het artikel van vandaag leest u meer over de unieke eigenschappen, synthese en toepassingen van dit materiaal. aluminium nitride materiaal en aluminiumnitrideverwarmers. U leert ook hoe aluminiumnitride wordt geproduceerd, welke uitdagingen u kunt tegenkomen en wat de huidige markttrends voor aluminiumnitride zijn.
Waarvoor wordt aluminiumnitride gebruikt?
Aluminiumnitride is een uitzonderlijk hittebestendig keramisch materiaal, samengesteld uit aluminium en stikstof. Het heeft de chemische formule AlN en een kleine atomaire massa die covalent gebonden is. Deze kristallijne, kleurloze verbinding wordt beschouwd als een hoogwaardige elektrische isolator en halfgeleider. Eigenlijk kun je tegenwoordig niet meer over elektrische isolatie en warmtegeleiding praten zonder AlN-keramische materialen te noemen. Ze behoren tot de beste materialen voor toepassingen met krachtige elektronica, verwarmingselementen en koellichamen, omdat ze warmte in een indrukwekkende snelheid kunnen verspreiden en afvoeren, ongeacht de temperatuur waaraan ze worden blootgesteld.
AlN is een vast nitride van aluminium dat voornamelijk voorkomt in de hexagonale wurtzietkristalvorm en de metastabiele kubische zinkblendefase. Bij kamertemperatuur heeft dit wurtzietaluminiumnitride (w-AlN) een bandgap van 6 eV, waardoor het efficiënt werkt op diepe ultraviolette frequenties voor opto-elektronica. De eenvoudige maar krachtige atomaire bindingsstructuur van AlN is een van de belangrijkste redenen voor de hoge thermische geleidbaarheid van 320 W/mk-1. Onzuiverheden zoals zuurstof verminderen de thermische geleidbaarheid van AlN, terwijl doping de elektrische geleidbaarheid van het materiaal verhoogt. Interessant is dat aluminiumnitride kan worden gebruikt om het energieverbruik in halfgeleiders te verlagen door ze ermee te beschermen en te coaten.
Eigenschappen van aluminiumnitridematerialen
Aluminiumnitridekeramiek heeft een aantal unieke eigenschappen die het bijzonder en bruikbaar maken in vele sectoren. Hier zijn er een paar:
-
Hoge thermische geleidbaarheid van 321 W/mk-1
-
Uitstekende elektrische isolator
-
Vermogen om optimaal te presteren, zelfs bij hoge temperaturen.
-
Lage thermische uitzettingscoëfficiënt van 5,6 x 10-6K-1.
-
Hoge druksterkte, hardheid en thermische schokbestendigheid.
-
Hoog smeltpunt van ongeveer 2.200°C.
-
Hoge bandgap van 6 eV, alleen overtroffen door Beryllia.
-
Vertoont spontane polarisatie vanwege de hexagonale wurtzietkristalstructuur.
-
Hoge diëlektrische sterkte met een diëlektrische constante van 8,6.
-
Hoge ductiliteit en elasticiteitsgrens van 310 GPa.
-
Indrukwekkend transparantievenster van 0,2 μm - 13,6 μm.
-
Soepele compatibiliteit met Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS).
-
Sterke weerstand tegen gesmolten metalen, chloriden, zouten en alkaliën.
-
Heeft een dichtheid van 3,32g/cm³.
-
Heeft een soortelijke warmtecapaciteit van 780 J.Kg/K-1.
Synthese van aluminiumnitridemateriaal
Briegleb en Geuther waren de eerste wetenschappers die aluminiumnitride synthetiseerden (produceerden) in 1862, en sindsdien synthetiseren vele industrieën dit uiterst belangrijke halfgeleidermateriaal. Aluminiumnitride kan nu op drie belangrijke manieren worden gesynthetiseerd:
Carbothermische reductie van aluminiumoxide:
Dit is de meest gebruikelijke manier om zeer zuiver en waterbestendig aluminiumnitride te produceren. Bij deze methode wordt aluminiumhydroxide of alumina verhit tot een temperatuur van 1750 °C onder een stikstofgasstroom en koolstof, dat voornamelijk als reductiemiddel fungeert.
Directe nitrering van aluminium:
AlN kan worden gesynthetiseerd door aluminiumpoeder en stikstofgas direct te laten reageren onder gecontroleerde temperatuur en stikstofgasstroom. Het temperatuurbereik voor verhitting is 650 °C.
Chemische dampdepositie (CVD):
Deze methode werkt het beste bij temperaturen tussen 650 °C en 750 °C. Bij deze methode wordt aluminiumchloride (AlCl3) onder bepaalde omstandigheden, zoals een goed vacuüm, genitreerd met ammoniakgas of stikstof om AlN te produceren.
Toepassingen van aluminiumnitridematerialen
Aluminium nitride keramisch materiaal wordt in veel verschillende industrieën gebruikt. Enkele voorbeelden:
Elektronica-industrie
Je kunt aluminiumnitride gebruiken om koellichamen te produceren voor krachtige elektronica zoals LED's, computers of mobiele apparaten die snelle warmteafvoer vereisen. Het kan ook voor veel andere toepassingen worden gebruikt. micro-elektronica componenten die hoge dichtheden vereisen. RF-filters, elektrische isolatoren en akoestische golfsensoren maken allemaal gebruik van AlN-keramisch materiaal.
Halfgeleiders
Aluminiumnitridesubstraten beschikken over een zeer uniek koelvermogen dat je zelden in andere halfgeleidermaterialen aantreft. Het is dan ook niet verwonderlijk dat steeds meer halfgeleiderindustrieën verwarmingsplaten, lasers, klemringen, magnetrons en chipdragers produceren van AlN-keramisch materiaal.
Militair
U kunt AlN-keramische materialen gebruiken voor de productie van militaire wapens en voertuigen zoals gepantserde tanks, schuurmiddelen, hoogwaardige kogels en meer, vanwege hun hoge specifieke warmtecapaciteit en het vermogen om thermische schokken te weerstaan.
Refractair
Sommige industrieën maken nu gebruik van de vuurvaste eigenschap van AlN om ovenbekleding, smeltkroezen en thermische isolatoren te maken, omdat aluminium nitride hoge temperaturen gemakkelijk aankan en optimaal presteert zonder vormverlies.
Transport- en automobielindustrie
Radarsystemen, vermogensmodules, apparatuur voor de lucht- en ruimtevaart, auto-onderdelen en motoren kunnen allemaal uit AlN-keramische materialen worden geproduceerd.
Aluminiumnitride productieproces
Er zijn verschillende processen mogelijk voor de productie van aluminiumnitride-onderdelen, afhankelijk van de productspecificaties, productiekosten en de beoogde toepassing. Enkele van deze productieprocessen voor aluminiumnitride zijn:
Koud Isostatisch Persen (CIP)
U kunt aluminiumnitride-onderdelen via dit proces vervaardigen door gelijkmatige druk uit te oefenen op alle zijden van het AlN-poeder voordat u uiteindelijk overgaat tot de bewerking van aluminiumnitride. Deze methode produceert hoogwaardige aluminiumnitridematerialen.
Keramisch spuitgieten (CIM)
Bij deze methode mengt u uw AlN-poeder met behulp van een organische drager (bindmiddel) en giet u dit in een mal naar keuze (afhankelijk van de gewenste vorm). Daarna verwijdert u het bindmiddel en sintert u het onder hoge temperatuur en druk in de gewenste vorm. Het sinteren wordt uitgevoerd om ervoor te zorgen dat het AlN-materiaal een stevige dichtheid heeft.
Lagedruk poederspuitgieten
Wilt u kosten besparen en toch een complex gevormd AlN-materiaal produceren, dan is deze methode de beste keuze. Deze methode lijkt sterk op de CIM-methode, alleen wordt deze bij lage druk uitgevoerd. Uw AlN-materiaal kan echter scheuren als u de organische drager niet correct verwijdert.
Tape Casting
Deze methode levert dichte aluminium nitride onderdelen op die zeer compatibel zijn met metalen elektroden. Bij deze methode mengt u eerst aluminiumnitridepoeder, een dispergeermiddel, een organische drager en een weekmaker. Vervolgens giet u het op een ondergrond, waardoor een gladde groene tape ontstaat die u 2-3 minuten laat drogen en sinteren bij temperaturen tot 240 °C.
Precisiebewerking
Deze productiemethode voor aluminiumnitride omvat het slijpen en vormen van aluminiumnitride met behulp van uiterst precieze CNC-machines. De productie van aluminiumnitride verwarmingsplaten wordt echter een steeds uitdagender proces vanwege de extreme hardheid van het keramische materiaal. Overmatige trillingen tijdens het bewerken kunnen uw snijgereedschappen en machines beschadigen of de effectiviteit ervan aanzienlijk belemmeren vanwege de hoge druksterkte van deze aluminiumnitride onderdelen. Hierdoor kunt u effectiever gereedschap zoals polykristallijn diamant (PCD) gebruiken voor het bewerken van aluminiumnitride platen, voornamelijk vanwege de diamantcomponent. Naast de taaie, harde aard van aluminiumnitride platen, is een andere uitdaging voor fabrikanten bij het bewerken van aluminiumnitride verwarmingsplaten de hoge thermische geleidbaarheid en broosheid van het materiaal, wat betekent dat het kan scheuren onder zware mechanische belasting als het niet correct wordt behandeld.
Kenmerken van aluminium nitride verwarmers
Aluminiumnitrideverwarmers zijn verwarmingselementen die voornamelijk uit aluminiumnitride zijn vervaardigd. Dankzij de verschillende unieke thermische en elektrische eigenschappen van AlN zijn ze bestand tegen alle soorten hoge temperaturen en bieden ze uitstekende warmteoverdracht in elke gewenste toepassing. Enkele eigenschappen van AlN-verwarmers zijn:
-
Maximale werktemperatuur van 1.000°C.
-
Ze hebben een verwarmingssnelheid van ongeveer 115°C per seconde.
-
Ze hebben een dichtheid van 3,26 g/cm³.
-
Ze hebben een thermische geleidbaarheid van 220W/mk-1
-
Maximale wasdichtheid van 155w/cm²
-
Ze hebben een dikte van ongeveer 3 mm
Toepassingen van aluminiumnitrideverwarmers
U kunt aluminium nitride voor verschillende toepassingen gebruiken, zoals:
Opto-elektronica
Omdat aluminium verwarmingselementen hoge temperaturen aankunnen en thermische energie kunnen reguleren, kunnen ze in de opto-elektronica worden gebruikt om laserdiodes, ledlampen en andere micro-elektronica te produceren.
Halfgeleiderindustrie
Aluminiumnitrideverwarmers kunnen worden gebruikt voor complexe taken zoals epitaxie en Physical Vapor Deposition (PVD), waarvoor waferbewerking nodig is. Ook kunnen ze worden gebruikt voor het testen van meetapparatuur in halfgeleiderapparaten.
Geneesmiddel
Aluminiumnitrideverwarmers kunnen ook in de geneeskunde worden gebruikt voor DNA-amplificatie. Deze AlN-verwarmers worden in de medische laboratoriumwetenschap gebruikt om apparatuur te produceren voor diverse belangrijke testen, zoals DNA en Polymerase Chain Reaction (PCR), vanwege hun nauwkeurige temperatuurregeling.
Productie van kookplaten
Deze aluminium verwarmingselementen kunnen worden gebruikt om de kookplaten te maken waarmee u thuis uw eten opwarmt. Ze kunnen ook worden gebruikt voor industriële verwarmingsplaten.
Scheikunde
Je kunt AlN-verwarmers gebruiken om apparatuur te produceren die zeer hoge temperaturen nodig heeft om optimaal te functioneren. Sommige van deze apparatuur kan in de chemie worden gebruikt voor chromatografie, massaspectrometrie, enzovoort.
Huidige markttrends voor aluminiumnitride
In 2023 bedroeg de wereldwijde markt voor aluminiumnitride iets meer dan $151 miljoen. Als u de markttrends in 2024 zou volgen, zou u een aanzienlijke stijging van ongeveer 11,5% zien, terwijl de markt steeg tot $168 miljoen. Marktanalisten hebben aangegeven dat met een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van 5,6%, u tegen 2030 een marktwaarde van meer dan $245 miljoen kunt verwachten vanwege de toegenomen wereldwijde vraag en de felle concurrentie. Het Noord-Amerikaanse bedrijf Surmet is sindsdien een belangrijke speler geworden in de grootschalige productie en levering van aluminiumnitride. Hier, op ggskeramiek, U kunt ook hoogwaardige en betaalbare aluminium nitride verwarmers, aluminium nitride keramische materialen en producten naar keuze aanschaffen.
Veelgestelde vragen
Is aluminium nitride (AlN) een explosief materiaal?
Nee, normaal gesproken is AlN een chemisch inerte verbinding. In de aanwezigheid van gechloreerde dampen en zuren kan het echter exploderen.
Is aluminium nitride giftig?
Ja, AlN kan ernstige schade veroorzaken als u het inslikt, inslikt of inademt. Het kan huid- en oogirritatie veroorzaken of het beenmerg en de longen beschadigen.
Welk halfgeleidermateriaal is beter: aluminium nitride of siliciumcarbide?
Halfgeleidermaterialen voor hoogvermogenelektronica zijn effectiever wanneer er sprake is van efficiënte thermische geleiding en warmteafvoer. Aluminiumnitride is op dit gebied uiteraard beter dan andere halfgeleiders dankzij de ultrabrede bandkloof, waardoor het siliciumcarbide (SiC) in dit opzicht voor is.
Conclusie
Keramisch materiaal van aluminiumnitride betreedt gestaag nieuw terrein in de halfgeleiderindustrie. Van aluminiumnitrideplaten tot aluminiumnitrideverwarmers en koellichamen, de toepassingen van AlN zijn tot nu toe in diverse sectoren toegepast. Het is een goede sector om in te investeren, en de toekomst van halfgeleiders is zeker veiliggesteld met aluminiumnitride stevig in de markt.