Vergelijking van thermische geleidbaarheid van AlN vs. BeO en AlN vs. BN: is AlN de optimale keuze?

Innovaties op het gebied van techniek en technologie helpen industrieën om af te stappen van glas, plastic, metaal en andere traditionele materialen die vaak duurder zijn. U kunt kiezen voor zuinigere en hoogwaardigere opties, zoals geavanceerde keramische materialen die u in verschillende toepassingen kunt gebruiken. De meeste van deze materialen beschikken over uitstekende chemische, mechanische en elektrische eigenschappen. Ze staan ook bekend om hun corrosiebestendigheid, hardheid, robuustheid en slijtvastheid. Tegelijkertijd bieden deze opties de broodnodige thermische stabiliteit die nodig is om toepassingen succesvol te laten functioneren.

De vraag is nu: welk keramisch materiaal is betrouwbaarder: aluminiumnitride (AlN), berylliumoxide (BeO) of boornitride (BN)? Beide materialen beschikken over een uitzonderlijke fysieke sterkte en thermische geleidbaarheid, waardoor ze een ideale keuze zijn voor de auto-, elektronica- en lucht- en ruimtevaartindustrie, waar materialen met uitstekende warmteafvoer nodig zijn.

Om te weten welke superieur is aan de andere, is echter een goed begrip van hun eigenschappen vereist. Dit inzicht helpt bij het analyseren van hoe ze presteren onder hoge temperaturen zonder hun integriteit in gevaar te brengen, wat ze geschikt maakt als integraal onderdeel van isolatoren, hoogvermogenapparatuur, koellichamen, elektronische substraten en andere toepassingen. Veel toepassingen gebruiken doorgaans AlN thermische geleidbaarheid en andere eigenschappen. Laten we daarom voor de duidelijkheid een vergelijkende analyse maken van AlN met BeO en BN.

Thermische geleidbaarheid van BeO versus AlN: een vergelijking

Aluminiumnitride en berylliumoxide zijn de twee meest gewilde geavanceerde keramieksoorten. Ze worden gekozen vanwege hun fysieke eigenschappen en thermische stabiliteit in verschillende sectoren en voor meerdere toepassingen.

-> BeO – Fysische, chemische en thermische eigenschappen

Dit witte kristallijne oxide onderscheidt zich door zijn superieure sterkte en hardheid. Het wordt gebruikt in omgevingen met hoge temperaturen omdat het smeltpunt rond de 2570 °C ligt. BeO vertoont een uitstekende corrosiebestendigheid omdat het bij normale hitte niet reageert met veel alkaliën en zuren. Het is echter niet bestand tegen geconcentreerde zuren. Qua thermische eigenschappen is het een uitstekend warmtegeleidend materiaal, met een thermische geleidbaarheid tot 330 W/mK.

-> AlN - Fysische, chemische en thermische eigenschappen

Met een dichtheid van ongeveer 3,26 g/cm³, aluminium nitride Biedt een ongelooflijke mechanische sterkte. Het wordt gekozen vanwege zijn hoge warmtegeleiding en elektrische isolatie. Dankzij de specifieke chemische samenstelling is het materiaal ook bestand tegen oxidatie en andere zware omstandigheden. De integriteit en eigenschappen blijven intact, zelfs in reducerende of inerte atmosferen tot 2200 °C. Gebaseerd op zijn vorm en materiaalzuiverheid vertoont AlN ook een warmteoverdrachtsvermogen van ongeveer 170 tot 200 W/mK, vergelijkbaar met andere keramische materialen.

Vanwege de hogere thermische stabiliteit wordt BeO gebruikt in elektrische isolatoren en substraten om warmte af te voeren en de levensduur van elektronische componenten te verlengen. Ook microgolven en laserbuizen profiteren ervan. Dit keramische materiaal kent bredere toepassingen omdat de kristalstructuur warmteoverdracht bevordert. Helaas moet dit materiaal zorgvuldig worden behandeld en moeten er passende veiligheidsmaatregelen worden genomen om toxische effecten tijdens de productie en recycling te voorkomen.

AlN kan worden gebruikt in niet-giftige omgevingen vanwege de goede thermische geleidbaarheid. Denk bijvoorbeeld aan halfgeleiders en leds. Het materiaal fungeert als een koellichaam om warmte van actieve gebieden af te voeren en de prestaties van de apparaten te verbeteren. Vanwege de niet-giftige aard is het ook nuttig in toepassingen in de vermogenselektronica.

Kortom, BeO is betrouwbaarder bij hoge temperaturen, waar toxiciteitsrisico's kunnen optreden. Aan de andere kant is AlN beter geschikt voor industriële omgevingen en consumentenelektronica, waar veiligheid en gezondheid prioriteit hebben. Ze profiteren meer van hun thermische beheer en niet-toxiciteit.

Thermische geleidbaarheid concurrentieanalyse van AlN en BN

Het toenemende gebruik van keramische materialen in gespecialiseerde toepassingen die hoge eisen stellen thermische geleidbaarheid of weerstand zorgt ervoor dat industriëlen en productiebedrijven steeds meer alternatieven zoeken. U weet al dat BeO beperkingen ondervindt vanwege de giftige eigenschappen ervan. Er is echter ook een ander materiaal, zoals BN, dat een betere ervaring belooft. Hoe dit zich verhoudt tot AlN moet echter nog blijken.

BN is een warmgeperst materiaal dat verkrijgbaar is in grote vaste stukken of poedervorm. Het kent vele gradaties die de zuiverheid van het product bepalen. Alleen het materiaal met de hoogste zuiverheid kan een uitstekende thermische geleiding bieden en andere materialen overtreffen. Dat betekent dat de thermische geleidbaarheid van BN is onderworpen aan hoge zuiverheidsnormen. Toch moet men er rekening mee houden dat ze mogelijk minder mechanisch sterk zijn en zachter kunnen zijn.

AlN wordt wereldwijd voornamelijk in substraatvorm gebruikt. De thermische geleidbaarheid van AIN kan variëren afhankelijk van de kwaliteit en het type. Hoge zuiverheidsniveaus liggen rond de 220 W/mK, de industriestandaard is 170-180 W/mK en die van mindere kwaliteit ligt op 150 W/mK. Desondanks zijn de mechanische sterkte en thermische stabiliteit van AlN geschikt voor diverse toepassingen, zoals halfgeleidersubstraten, koellichamen en andere elektronica. BN is nuttig in omgevingen waar smering en thermische weerstand vereist zijn. In hexagonale vorm wordt BN veel toegepast in de lucht- en ruimtevaart en nucleaire sector. Het wordt gebruikt in coatings en smeermiddelen.

Het gebruik van AlN in PCB's en halfgeleiders

Naast thermische geleidbaarheid wordt het vermogen van het keramische materiaal ook onderzocht aan de hand van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). CTE helpt bij het volgen van fractionele veranderingen in de lengte van het materiaal bij blootstelling aan verschillende temperaturen bij dezelfde druk. Aluminium nitride CTE is relatief laag, waardoor het veel beter is dan andere geavanceerde keramische materialen en zeer betrouwbaar voor verschillende belangrijke toepassingen, zoals Printed Circuit Boards (PCB's) en halfgeleiders.

Voordelen van AlN in PCB's

PCB's worden gebruikt in diverse sectoren, zoals telecommunicatie, energie, lucht- en ruimtevaart en defensie, en de automobielindustrie. Laten we echter een voorbeeld nemen van medische apparatuur, die deel uitmaakt van een snelgroeiende gezondheidszorgsector door de toenemende vraag. Medische apparatuur moet een goede warmteafvoer hebben en veilig zijn. De integratie van AlN in PCB's helpt deze doelen te bereiken. Dankzij de hogere warmteafvoer, isolatie, prestaties en lage onderhoudsvereisten van AlN worden medische apparaten duurzaam en betrouwbaar. Het materiaal wordt toegepast in veeleisende apparaten zoals diagnostische apparatuur en medische beeldvorming. De thermische geleidbaarheid ligt tussen 170 en 200 W/mK. Hierdoor is het goed bestand tegen warmte, zelfs in krachtige apparaten zoals medische lasers en CT-scanners.

De optimale diëlektrische sterkte van AlN ligt tussen de 15 en 20 kV/mm, waardoor het veilig is voor hoogspanningsapparatuur die bescherming tegen elektrische interferentie nodig heeft, zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.

Medische apparatuur boekt snelle technologische vooruitgang. Geavanceerde apparatuur profiteert van de thermische geleidbaarheid, stabiliteit en onderhoudsarme eigenschappen van AlN. Het materiaal wordt echter voortdurend verbeterd of verfijnd om hogere vocht- en hittebestendigheidsnormen voor wearables en minder invasieve medische hulpmiddelen te ontwikkelen en te handhaven.

Voordelen van AlN in de halfgeleiderindustrie

AlN CTE, isolatiespanning, sterkte en andere eigenschappen maken het een geschikte keuze voor de halfgeleiderindustrie. De aluminium nitride verbinding heeft een hexagonale structuur met covalente bindingen en roosterparameters van a = 3,114 en c = 4,986. Materialen met een hoge zuiverheid zien er blauwachtig wit uit, terwijl AlN zich normaal gesproken in een gebroken witte kleur gedraagt. Gezien de elektrische eigenschappen, zult u zien dat de elektronegativiteit van zuiver AlN bij kamertemperatuur meer dan 1014 Ω-cm bedraagt, wat de isolerende kracht ervan aantoont. De elektromechanische koppelingscoëfficiënt (CTE) is 0,81 TP3T. De corrosiebestendigheid van dit materiaal is een ander aantrekkelijk argument, wat aantoont dat het bestand is tegen vele soorten metalen en gesmolten zouten, zoals koper, lood, aluminium, nikkel, zilver, galliumarsenide, enz.

Het wordt gerekend tot de 3e generatie halfgeleidermaterialen vanwege de uitstekende elektronverzadigingspunten, stralingsweerstand, elektrische veldsterkte en band gap. Studies suggereren dat AlN een elektrisch veld van 7,3 megavolt per cm2 kan verdragen, veel beter dan silicium zoals galliumnitride en siliciumcarbide. Bovendien zorgen AlN-systemen ook voor een soepele stroomdoorstroming. Een uitdaging voor dit materiaal is echter doping: het toevoegen van onzuiverheden om de ladingsdragerconcentratie van een halfgeleider te verbeteren. Toch is het een opkomende strategie en werken onderzoekers continu aan manieren om AlN perfect geschikt te maken voor halfgeleiders.

Conclusie

Geavanceerde keramische materialen, zoals AlN, Beo en BN, zijn zowel kostenefficiënt als hoogwaardig in vergelijking met metaal, glas en kunststof. Deze keramische substraten zijn echter uniek en worden in verschillende omgevingen gebruikt, afhankelijk van hun samenstelling en risicofactoren. Zo wordt het niet-giftige AlN in veel toepassingen veel gebruikt vanwege de thermische stabiliteit en geleidbaarheid.

Veelgestelde vragen

Wat is AlN precies?

Elektrische apparaten en andere sectoren zijn altijd op zoek naar betere materialen met hoge thermische prestaties vanwege hun isolatie- en warmteoverdrachtsvermogen. AlN kan snel aan deze verwachtingen voldoen. Het wordt ook beschouwd als een veiliger alternatief voor de halfgeleiderindustrie dan BeO. Je kunt het ook beschouwen als een technisch keramisch materiaal.

Wat is het doel van AlN-keramiek?

Uitstekende isolatie, thermische geleidbaarheid, laag diëlektrisch verlies en het vermogen om plasma-erosie te weerstaan, zijn de sterke punten waardoor dit materiaal gebruikt kan worden in halfgeleiderapparatuur, OLED's en andere apparaten voor een lange levensduur en opmerkelijke prestaties.

Welke voorzorgsmaatregelen moet je nemen bij het werken met AlN-keramiek?

Ze kunnen niet worden ondergedompeld in water, alkaliën, anorganische zuren of andere soortgelijke materialen vanwege de kans op chemische reacties. AlN blijft echter onaangetast door cryoliet, chloride en andere gesmolten zouten.

Wat kan er gedaan worden om AlN-PCB's te beschermen tegen vochtproblemen in medische apparaten?

De prestaties van AlN kunnen worden gewaarborgd en beschermd door middel van inkapseling en beschermende coatings.

 Waar gebruik je AlN?

Zoals hierboven aangegeven, kan het worden gebruikt in lasers, warmteverspreiders, koellichamen, halfgeleiderapparaten, siliciumwaferverwerking, micro-elektronische apparaten, elektronische verpakkingen, sensoren en detectoren, en nog veel meer.