Porównanie przewodności cieplnej AlN vs. BeO i AlN vs. BN: Czy AlN to optymalny wybór?

Innowacje inżynieryjne i technologiczne pomagają branżom odejść od szkła, plastiku, metalu i innych tradycyjnych materiałów, które często są droższe. Możesz zwrócić się ku bardziej ekonomicznym i wydajnym wyborom, takim jak zaawansowane materiały ceramiczne, które pozwalają na ich wykorzystanie w różnych zastosowaniach. Większość z tych materiałów ma doskonałe właściwości chemiczne, mechaniczne i elektryczne. Są również cenione za odporność na korozję, twardość, wytrzymałość i odporność na zużycie. Jednocześnie opcje te zapewniają bardzo potrzebną stabilność termiczną wymaganą do prawidłowego działania aplikacji.

Teraz pytanie brzmi: który materiał ceramiczny jest bardziej niezawodny – azotek glinu (AlN), tlenek berylu (BeO) czy azotek boru (BN)? Każdy z nich charakteryzuje się wyjątkową wytrzymałością fizyczną i przewodnością cieplną, co czyni je idealnym wyborem dla przemysłu motoryzacyjnego, elektronicznego i lotniczego, które wymagają materiałów o doskonałych właściwościach rozpraszania ciepła.

Jednak wiedza o tym, który z nich jest lepszy od pozostałych, wymaga dobrego zrozumienia ich cech. To zrozumienie pomaga analizować, jak działają w wysokiej temperaturze bez narażania ich integralności, co kwalifikuje je do stania się integralną częścią izolatorów, urządzeń dużej mocy, radiatorów, podłoży elektronicznych i innych zastosowań. Zazwyczaj wiele zastosowań wykorzystuje Przewodność cieplna AlN i inne cechy. Więc przeprowadźmy analizę porównawczą AlN z BeO i BN dla jasności.

Przewodność cieplna BeO vs. AlN: porównanie

Azotek glinu i tlenek berylu to dwa najbardziej pożądane zaawansowane materiały ceramiczne. Są wybierane ze względu na ich właściwości fizyczne i stabilność termiczna w wielu branżach i do wielu zastosowań.

-> BeO – Właściwości fizyczne, chemiczne i termiczne

Ten biały krystaliczny tlenek wyróżnia się doskonałą wytrzymałością i twardością. Jest stosowany w środowiskach o wysokiej temperaturze, ponieważ jego temperatura topnienia wynosi około 2570°C. BeO wykazuje wyjątkową odporność na korozję, ponieważ nie reaguje z wieloma zasadami i kwasami w normalnym cieple. Jednak nie może oprzeć się stężonym kwasom. Pod względem właściwości termicznych jest to doskonały materiał przewodzący ciepło, którego przewodność cieplna sięga 330 W/mK.

-> AlN - Właściwości fizyczne, chemiczne i termiczne

Przy gęstości około 3,26 g/cm³, azotek glinu oferuje niesamowitą wytrzymałość mechaniczną. Jest wybierany ze względu na wysokie przewodnictwo cieplne i właściwości izolacji elektrycznej. Ze względu na swój specyficzny skład chemiczny, materiał może również tolerować utlenianie i inne trudne warunki. Jego integralność i właściwości mogą pozostać nienaruszone nawet w atmosferach redukujących lub obojętnych do 2200°C. W oparciu o swoją formę i czystość materiału, AlN wykazuje również zdolność przenoszenia ciepła około 170 do 200 W/mK, porównywalną z innymi materiałami ceramicznymi.

Ze względu na wyższą stabilność termiczną BeO jest stosowany w izolatorach elektrycznych i podłożach w celu rozpraszania ciepła i wydłużenia żywotności podzespołów elektronicznych. Korzystają z niego również mikrofale i lampy laserowe. Ten materiał ceramiczny ma szersze zastosowanie, ponieważ jego struktura krystaliczna pomaga przenosić ciepło. Niestety, z tym materiałem należy obchodzić się ostrożnie, stosując odpowiednie środki bezpieczeństwa, aby uniknąć jego toksycznych skutków podczas produkcji i recyklingu.

AlN można stosować w środowiskach nietoksycznych ze względu na jego odpowiednią przewodność cieplną. Pomyślmy na przykład o urządzeniach półprzewodnikowych i diodach LED. Materiał działa jak radiator, odprowadzając ciepło z obszarów aktywnych i zwiększając wydajność urządzeń. Ze względu na swoją nietoksyczną naturę jest również pomocny w zastosowaniach elektroniki mocy.

Podsumowując, BeO jest bardziej niezawodny w warunkach wysokiej temperatury, w których można podjąć pewne ryzyko toksyczności. Z drugiej strony, AlN lepiej nadaje się do warunków przemysłowych i elektroniki użytkowej, gdzie bezpieczeństwo i zdrowie są priorytetem. Bardziej korzystają z zarządzania termicznego i nietoksyczności.

Analiza konkurencyjna przewodności cieplnej AlN i BN

Coraz szersze zastosowanie materiałów ceramicznych w specjalistycznych zastosowaniach wymagających wysokiej jakości przewodność cieplna lub opór sprawia, że przemysłowcy i firmy produkcyjne szukają coraz większej liczby alternatyw. Już wiesz, że BeO podlega ograniczeniom ze względu na swoją toksyczną naturę. Istnieje jednak inny materiał, taki jak BN, który również obiecuje lepsze wrażenia. Jednak trzeba zobaczyć, jak wypada w porównaniu z AlN.

BN to materiał prasowany na gorąco, dostępny w dużych kawałkach lub w postaci proszku. Ma wiele klas, które określają poziom czystości produktu. Tylko materiał o najwyższej czystości może zapewnić doskonałą przewodność cieplną i przewyższyć inne. Oznacza to, że przewodnictwo cieplne BN podlega wysokim standardom czystości. Mimo to należy pamiętać, że mogą one nie mieć wytrzymałości mechanicznej i być bardziej miękkie.

AlN jest dostępny głównie w formie substratu na całym świecie. Przewodność cieplna AIN może się różnić w zależności od jego jakości i gatunku. Wysokie poziomy czystości wynoszą około 220 W/mK, standard przemysłowy to 170-180 W/mK, a niższa jakość wynosi 150 W/mK. Niemniej jednak wytrzymałość mechaniczna i stabilność termiczna AlN nadają się do różnych zastosowań, takich jak podłoża półprzewodnikowe, radiatory i inne urządzenia elektroniczne. BN jest pomocny w środowiskach, w których wymagane jest smarowanie i odporność termiczna. W formie heksagonalnej BN jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i jądrowym. Są używane w powłokach i środkach smarnych.

Zastosowanie AlN w PCB i półprzewodnikach

Oprócz przewodnictwa cieplnego, zdolność materiału ceramicznego jest również badana pod kątem współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE). CTE pomaga śledzić ułamkowe zmiany długości materiału, gdy jest on wystawiony na działanie różnych temperatur przy tym samym ciśnieniu. Azotek glinu CTE jest stosunkowo niska, co sprawia, że jest ona znacznie lepsza od innych zaawansowanych materiałów ceramicznych i wysoce niezawodna w przypadku różnych kluczowych zastosowań, takich jak płytki drukowane (PCB) i półprzewodniki.

Korzyści z AlN w PCB

PCB są stosowane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak telekomunikacja, energetyka, lotnictwo i obronność, motoryzacja itp. Weźmy jednak przykład urządzeń medycznych, które są częścią branży opieki zdrowotnej, która szybko się rozwija ze względu na zwiększone zapotrzebowanie. Sprzęt medyczny musi mieć dobrą zdolność zarządzania ciepłem i być bezpieczny. Integracja AlN w PCB pomaga osiągnąć te cele. Ze względu na wyższe rozpraszanie ciepła, izolację, wydajność i niskie wymagania konserwacyjne AlN, urządzenia medyczne stają się trwałe i niezawodne. Materiał jest stosowany w urządzeniach o dużej wadze, takich jak sprzęt diagnostyczny i obrazowanie medyczne. Zakres jego przewodnictwa cieplnego wynosi 170-200 W/mK. Dzięki temu może dobrze zarządzać ciepłem, nawet w urządzeniach o dużej mocy, takich jak lasery medyczne i skanery CT.

Podobnie, optymalny zakres wytrzymałości dielektrycznej AlN wynosi 15-20 kV/mm, dzięki czemu jest on bezpieczny dla urządzeń wysokiego napięcia wymagających ochrony przed zakłóceniami elektrycznymi bez pogorszenia wydajności.

Urządzenia medyczne robią szybkie postępy w technologii. Zaawansowany sprzęt korzysta z przewodnictwa cieplnego, stabilności i cech niskiego zapotrzebowania na konserwację AlN. Jednak materiał ten jest stale ulepszany lub udoskonalany w celu opracowania i utrzymania wyższych standardów odporności na wilgoć i ciepło dla urządzeń noszonych i mniej inwazyjnych narzędzi medycznych.

Korzyści z AlN w przemyśle półprzewodnikowym

AlN CTE, napięcie izolacji, wytrzymałość i inne cechy sprawiają, że jest to odpowiedni wybór dla branży półprzewodników. związek azotku glinu ma strukturę heksagonalną z wiązaniami kowalencyjnymi i parametrami sieci a = 3,114 i c = 4,986. Materiały o wysokim poziomie czystości wyglądają na niebiesko-białe, a AlN normalnie zachowuje się w swoim kremowobiałym kolorze. Biorąc pod uwagę jego właściwości elektryczne, odkryjesz, że elektroujemność czystego AlN w temperaturze pokojowej wynosi ponad 1014Ω-cm, co pokazuje jego wytrzymałość izolacyjną. Jego współczynnik CTE sprzężenia elektromechanicznego wynosi 0,8%. Odporność na korozję tego materiału to kolejna atrakcyjna propozycja, która pokazuje, że może on opierać się wielu rodzajom metali i stopionych soli, takich jak miedź, ołów, aluminium, nikiel, srebro, arsenek galu itp.

Jest zaliczany do materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji, ponieważ zapewnia doskonały punkt nasycenia elektronów, odporność na promieniowanie, pole elektryczne i przerwę pasmową. Badania sugerują, że AlN może tolerować 7,3 megawoltów pola elektrycznego na cm, znacznie lepiej niż krzem, taki jak azotek galu i węglik krzemu. Ponadto systemy AlN umożliwiają również płynny przepływ prądu. Jednak jednym z wyzwań, przed którymi stoi ten materiał, jest domieszkowanie — wprowadzanie domieszek w celu poprawy koncentracji nośników ładunku półprzewodnika. Mimo to jest to wschodząca strategia, a naukowcy nieustannie pracują nad sposobami, aby uczynić AlN idealnym materiałem do półprzewodników.

Wniosek

Zaawansowane materiały ceramiczne, takie jak AlN, Beo i BN, są zarówno ekonomiczne, jak i wydajne w porównaniu do metalu, szkła i plastiku. Jednak te ceramiczne podłoża są wyjątkowe i są stosowane w różnych środowiskach w zależności od ich składu i czynników ryzyka. Na przykład nietoksyczny AlN jest szeroko stosowany w wielu zastosowaniach ze względu na swoją stabilność termiczną i przewodność.

Często zadawane pytania

Czym właściwie jest AlN?

Urządzenia elektryczne i inne sektory zawsze poszukują lepszych materiałów o wysokiej wydajności zarządzania termicznego ze względu na ich właściwości izolacyjne i zdolność do przenoszenia ciepła. AlN może szybko spełnić te oczekiwania. Jest również uważany za bezpieczniejszą alternatywę dla przemysłu półprzewodnikowego niż BeO. Można go również uznać za techniczny materiał ceramiczny.

Jaki jest cel stosowania ceramiki AlN?

Nadzwyczajna izolacja, przewodność cieplna, niskie straty dielektryczne i odporność na erozję plazmową to zalety, dzięki którym materiał ten może być stosowany w sprzęcie półprzewodnikowym, wyświetlaczach OLED i innych urządzeniach, zapewniając długowieczność i niezwykłą wydajność.

Jakie środki ostrożności należy zachować podczas pracy z ceramiką AlN?

Nie mogą być zanurzane w wodzie, alkaliach, kwasach nieorganicznych lub innych tego typu materiałach ze względu na ryzyko reakcji chemicznych. Jednak AlN pozostaje nienaruszony przez kriolit, chlorek i inne stopione sole.

Co można zrobić, aby chronić płytki PCB AlN przed problemami związanymi z wilgocią w urządzeniach medycznych?

Właściwości AlN można zabezpieczyć i chronić poprzez hermetyzację i powłoki ochronne.

 Gdzie stosuje się AlN?

Jak wspomniano powyżej, może być on stosowany w laserach, rozpraszaczach ciepła, radiatorach, układach półprzewodnikowych, obróbce płytek krzemowych, urządzeniach mikroelektronicznych, pakietach elektronicznych, czujnikach i detektorach i wielu innych.