Thermische geleidbaarheid van aluminium nitride: wat u moet weten

Aluminiumnitride heeft zijn betrokkenheid bij de wetenschap aangewakkerd met de vooruitgang in keramiek. AlN is uitstekend wat betreft thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie. AlN heeft ook het voordeel dat het geen gezondheidsrisico's oplevert voor werknemers tijdens het bewerken. Daarom wordt AlN als superieur beschouwd ten opzichte van andere concurrerende keramieksoorten.

Eigenschappen van AlN: een korte handleiding om te raadplegen

Hier is een korte handleiding om alle eigenschappen van aluminiumnitride te leren kennen. De tabel helpt u de context van het gebruik van AlN te beoordelen.

Hoe wordt aluminiumnitride gesynthetiseerd?

Aluminiumnitride kan worden geproduceerd door directe nitrering van aluminiumoxide. De andere productiemethode omvat carbothermische reductie van aluminiumoxide. De covalente bindingen in het aluminiumoxide zijn zeer sterk, waardoor het moeilijker te sinteren is. Voor de productie van aluminiumoxide door middel van sinteren zijn speciale additieven in vloeibare vorm nodig.

Er zijn verschillende methoden om geavanceerde keramiek te produceren. Wereldwijd wordt nitridekeramiek voornamelijk geproduceerd door middel van isostatisch persen of droogpersen. Andere methoden omvatten spuitgieten met keramiek of lagedrukspuitgieten. De sintermethode van AlN omvat vonkplasma-sinteren, drukloos sinteren en microgolfsinteren.

Er zijn twee soorten vormingsprocessen voor nitridekeramiek: droog en nat. Droogvormen kan zowel normaal als koud isostatisch zijn. Natvormen wordt gebruikt om complexe vormen te produceren. De methoden omvatten slipgieten, tape-gelgieten en spuitgieten.

Gedetailleerde informatie over de fysieke eigenschappen van aluminiumnitride

Aluminiumnitride staat, zoals de naam al doet vermoeden, voor nitride in vaste vorm, bestaande uit aluminiumoxide. Het heeft een brede bandgap. De kleine atomaire massa en hogere interatomaire bindingen maken het keramiek sterk. Het volgt over het algemeen de kristalstructuur van wurtziet en heeft ook een metastabiele kubische fase.

De warmtegeleiding van aluminium varieert van 150 tot 320 W/m·K. De elektrische geleidbaarheid van aluminiumnitride ligt rond de 10-11 tot 10-13. Bij dotering neemt de geleidbaarheid af tot 10-5 of 10-6. Aluminium in de wurtzietfase wordt over het algemeen gebruikt in optische elektronica.

AlN is stabiel bij hoge temperaturen van ongeveer 2200 °C. De morfologie bestaat uit oxidelagen op het oppervlak die het materiaal beschermen bij een werktemperatuur van 1370 °C. Wat corrosiebestendigheid betreft, is het gevoelig voor aantasting door alkaliën en minerale zuren. Nitridekeramiek is echter bestand tegen aantasting door gesmolten zouten.

AlN-eigenschappen: een blik

Hier is een korte samenvatting van de belangrijkste eigenschappen van AlN

• Hoge bedrijfstemperatuur

• Uitstekende thermische geleidbaarheid die 5 keer groter is dan die van aluminiumoxide

• De CTE-waarde van Aln is laag

• De waarde van de diëlektrische constante is kleiner

• Goede elektrische weerstand en isolatie-eigenschappen

• Goede drukweerstand

• Goede corrosiebestendigheid, behalve tegen zuren en alkaliën

• De zuiverheid van AlN is aan de hoge kant

Aluminium Nitride CTE

De thermische uitzettingscoëfficiënt geeft ons een duidelijk beeld van het temperatuurgedrag van het materiaal. Geavanceerde keramiek staat bekend om zijn geringere thermische uitzetting. De waarde van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) geeft ons inzicht in hoe het materiaal uitzet onder invloed van de temperatuur. Onder invloed van warmte blijft de atomaire structuur echter stabiel wanneer het materiaal uitzet.

Vergeleken met metalen hebben geavanceerde keramische materialen zoals AlN de helft van de thermische uitzettingscoëfficiënt van een metaal. De lagere CTE-waarde zorgt ervoor dat ze hun mechanische sterkte onder druk behouden. Qua thermische uitzetting scoren zirkoniumoxide en aluminiumoxide het hoogst, terwijl siliciumnitride en carbide het laagst scoren.

 De CTE van aluminium-nitride ligt in het bereik van 5,3 tot 4,2 (x 10-6) K-1 langs de x- en z-as bij een werktemperatuurbereik van 300 K. De CTE van aluminium-nitride wordt beschouwd als gelijkwaardig aan silicium.

Thermische uitzettingscoëfficiënt en de efficiëntie van keramisch substraat

Hoewel AlN uitblinkt in eigenschappen als goede temperatuuroverdracht en elektrische weerstand, wat gunstig is voor micro-elektronica, laten we eens kijken welke impact CTE heeft op de werking van Aln-gebaseerde keramische substraten.

Impact van thermische uitzetting in DBC-substraat

Het DBC-substraat heeft Aln of siliciumnitride gebonden aan koper. De thermische uitzettingsverschillen tussen Aln, Cu en SiN (4,5 ppm, 17 ppm en 3 ppm) veroorzaken hoge mechanische spanningen. Deze spanningen veroorzaken scheuren in de geometrie. Deze scheuren ontstaan als gevolg van schokcycli tijdens het verwarmen en afkoelen van het keramiek.

Het beheersen van de CTE is daarom cruciaal voor de langetermijnwerking van keramische substraten. Hierboven is een vergelijking van de verschillende CTE's van verschillende keramische materialen gegeven.

Thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride

Thermische geleidbaarheid geeft aan hoe goed een materiaal warmte-energie doorlaat. De thermische geleidbaarheid van AlN is hoog. Bovendien hebben ze een hoge elektrische weerstand, waardoor ze uitstekend warmteafvoerend zijn. De keramische geleidbaarheid wordt beïnvloed door verschillende eigenschappen.

De aanwezigheid van onzuiverheden kan de warmteoverdracht in grotere mate beïnvloeden. Naarmate de hoeveelheid zuurstof toeneemt, neemt de geleidbaarheid van AlN toe. Bovendien vermindert het aantal lege plekken in het kristalrooster of silicium- en koolstofverontreinigingen de thermische geleidbaarheid.

De warmte-eigenschappen van AlN kunnen tijdens het productieproces zelf worden gecontroleerd. Veranderingen in de microstructuur en de verschillende omstandigheden tijdens de verwerking dragen bij aan de variatie van de thermische stroom. Het gebruik van zeer zuivere poeders en de gebruikte sinteringsmethodologie verhogen de thermische geleidbaarheid aanzienlijk.

Thermische geleidbaarheid van AlN, waarom wordt het verkozen boven BeO?

BeO en AlN hebben beide een hoge thermische geleidbaarheid. Ze kunnen daarom worden gebruikt bij hoge temperaturen. Laten we eens kijken hoe AlN BeO overtreft.

Berylliumoxide (BeO)

De thermische geleidbaarheid van Beo ligt in het bereik van 330 W/Mk. Ze worden voornamelijk gebruikt in situaties waar warmtebeheer cruciaal is. Berylliumoxide wordt vanwege zijn concurrerende geleidbaarheid gebruikt als substraat en isolator. Een andere toepassing is de productie van buizen in de microgolfoven, waar thermische stabiliteit belangrijk is.

Het probleem met Beo is de giftigheid ervan. Berylliumoxide is gevaarlijk en vereist een zorgvuldige behandeling. Recycling en hergebruik van keramiek is nogal problematisch als het gaat om de verwerking van BeO.

Aluminiumnitride (AlN)

De geleidbaarheid van aluminiumnitride is relatief lager dan die van BeO2, in het bereik van 170-210 W/mK. Waar niet-toxiciteit de voorkeur geniet, wordt nitridekeramiek toegepast. ALN-keramiek wordt gebruikt in LED- en halfgeleiderelektronica om warmte af te voeren. AlN heeft in vermogenselektronica de voorkeur boven BeO2 vanwege de beschreven voordelen.

Aln heeft een hoge elektrische weerstand en hittestabiliteit, waardoor het een beter isolerend materiaal is. Aluminiumnitride heeft de voorkeur bij toepassingen met hoge temperaturen en wordt gebruikt in consumentenelektronica om onveilige situaties te voorkomen.

Geleidbaarheid van verschillende keramieksoorten: een overzicht

Een vergelijking tussen de geleidbaarheid van verschillende keramische materialen is te zien in de bovenstaande grafiek. Over het algemeen geldt dat een materiaal met een lagere geleidbaarheid de voorkeur heeft als elektrische isolator. Uit de tabel blijkt dat zirkoniumoxide een lagere geleidbaarheid heeft, waardoor het geschikt is als isolator. De thermische geleidbaarheid van AlN is zeer hoog, wat de warmteafvoer ten goede komt.

Een van de belangrijkste toepassingen van de geleidbaarheid van AlN is in krachtige LED's en diodes. Deze instrumenten genereren over het algemeen warmte. De warmteafvoerende eigenschappen van AlN helpen oververhitting te voorkomen. Dit verhoogt de betrouwbaarheid en zorgt voor een langere levensduur.

De twee populairste technieken om de thermische geleidbaarheid van AlN te meten, zijn de hetedraadmethode en de transiënte hetestripmethode.

Industrieel gebruik van AlN

Hieronder vindt u een overzicht van de populaire industriële toepassingen van aluminium nitride keramiek:

• Refractair: AlN is een goed vuurvast materiaal. Het wordt gebruikt als bekleding van smeltkroezen of als structurele ondersteuning voor gietmallen en bijbehorende accessoires.

• Elektronisch substraat: AlN-substraten worden gebruikt als militaire multichipmodules. Ze fungeren als warmteafvoerpanelen in vermogenselektronica, laserdiodes en LED-koellichamen. Hun warmteafvoercapaciteit wordt toegeschreven aan hun betere geleiding.

• Auto's: Aluminiumnitride wordt gebruikt in thermische en gasgebaseerde hybride automotoren. Ze zijn stabiel bij hoge temperaturen.

• Verpakkingsmateriaal:Aluminium nitriden zijn goede verpakkingsmaterialen die hittebestendig en duurzaam zijn.

Conclusie

De introductie van aluminiumnitride heeft gezorgd voor optimale functionaliteit in technische toepassingen bij hoge temperaturen. De superieure thermische geleidbaarheid ten opzichte van vergelijkbare materialen heeft geresulteerd in de productie van efficiënte warmteafvoersystemen in de vermogenselektronica. Kortom, de levensduur en prestaties van de materialen zijn verbeterd, wat een voordeel is van aluminiumnitride.