Condutividade térmica do nitreto de alumínio: coisas que você precisa saber

O nitreto de alumínio impulsionou seu engajamento na ciência com o avanço da cerâmica. O AlN é excelente em termos de condutividade térmica e isolamento elétrico. O AlN também tem o mérito de não apresentar riscos à saúde dos trabalhadores durante a usinagem. Portanto, o AlN é considerado superior a outras cerâmicas concorrentes.

Propriedades do AlN: Um guia rápido para consultar

Aqui está um guia rápido para aprender todas as propriedades do nitreto de alumínio. A tabela ajudará você a avaliar o contexto de uso do AlN.

Como o nitreto de alumínio é sintetizado?

O nitreto de alumínio pode ser produzido pela nitretação direta da alumina. A outra forma de produção inclui a redução carbônica da alumina. As ligações covalentes no AlN são muito fortes, o que dificulta a sinterização. Para a fabricação de AlN por sinterização, o material necessita de aditivos especiais na forma líquida.

Existem vários métodos para produzir cerâmicas avançadas. A produção global de cerâmica de nitreto é basicamente feita por prensagem isostática ou prensagem a seco. Os outros métodos incluem moldagem por injeção envolvendo cerâmica ou moldagem por injeção a baixa pressão. O método de sinterização do AlN considera sinterização por plasma de faísca, sinterização sem pressão e sinterização por micro-ondas.

O processo de conformação da cerâmica de nitreto é de dois tipos: seco e úmido. A conformação a seco pode ser isostática comum ou a frio. A conformação úmida é usada para produzir formas complexas. Os métodos incluem moldagem por deslizamento, moldagem por gel de fita e moldagem por injeção.

Detalhamento das propriedades físicas do nitreto de alumínio

Nitreto de alumínio, como o nome sugere, representa o nitreto em sua forma sólida, composto de alumina. Possui ampla banda proibida. A pequena massa atômica e as ligações interatômicas mais elevadas tornam a cerâmica resistente. Geralmente, segue a estrutura cristalina da wurtzita e também possui uma fase cúbica metaestável.

A condutividade térmica do alumínio varia de 150 a 320 W/m·K. A condutividade elétrica do nitreto de alumínio fica em torno de 10-11 a 10-13. Quando dopado, a condutividade cai para 10-5 ou 10-6. Geralmente, o alumínio em sua fase wurtzita tem aplicações em eletrônica óptica.

O AlN é estável em altas temperaturas, em torno de 2200 °C. Sua morfologia consiste em camadas de óxido na superfície que protegem o material a uma temperatura de trabalho de 1370 °C. Em relação à resistência à corrosão, ele é suscetível a ataques causados por álcalis e ácidos minerais. No entanto, a cerâmica de nitreto é resistente a ataques de sais fundidos.

Propriedades de AlN: uma olhada

Aqui está um rápido resumo das principais propriedades do AlN

• Alta temperatura de operação

• Excelente condutividade térmica, 5 vezes maior que a da Alumina

• O valor CTE de Aln é baixo

• O valor da constante dielétrica é menor

• Boas propriedades de resistividade elétrica e isolamento

• Boa resistência à compressão

• Boa resistência à corrosão, exceto ácidos e álcalis

• A pureza do AlN está no lado superior

Nitreto de Alumínio CTE

O coeficiente de expansão térmica nos dá uma ideia clara do comportamento do material em relação à temperatura. Cerâmicas avançadas são conhecidas por sua menor expansão térmica. O valor do CTE nos permitirá saber como o material se expande sob a temperatura aplicada. No entanto, sob a aplicação de calor, a estrutura atômica permanece estável quando o material se expande.

Em comparação com metais, cerâmicas avançadas como o AlN apresentam metade do coeficiente de expansão térmica de um metal. O menor valor de CTE faz com que mantenham a resistência mecânica sob compressão. Em termos de expansão térmica, a zircônia e a alumina apresentam as maiores taxas, enquanto o nitreto e o carboneto de silício apresentam as menores taxas.

 O CTE do nitreto de alumínio está na faixa de 5,3 a 4,2 (x 10-6) K-1 ao longo dos eixos x e z na faixa de temperatura de trabalho de 300 K. O CTE do nitreto de alumínio é considerado equivalente ao silício.

Coeficiente de expansão térmica e eficiência do substrato cerâmico

Embora o AlN se destaque pelas propriedades de boa transferência de temperatura e resistência elétrica, que auxiliam a microeletrônica, vejamos o impacto do CTE no funcionamento de substratos cerâmicos à base de Aln.

Impacto da expansão térmica no substrato DBC

O substrato DBC possui Aln ou nitreto de silício ligado ao cobre. As diferenças de expansão térmica entre Aln, Cu e SiN (4,5 ppm, 17 ppm e 3 ppm) causam alto estresse mecânico. O estresse induz trincas na geometria. As trincas são formadas como resultado de ciclos de choque causados durante o aquecimento e o resfriamento da cerâmica.

O gerenciamento do CTE é, portanto, crucial para o funcionamento a longo prazo do substrato cerâmico. Uma comparação dos diferentes CTE de vários materiais cerâmicos foi apresentada acima.

Condutividade térmica do nitreto de alumínio

A condutividade térmica indica o quão bem um material permite que a energia térmica passe através de qualquer objeto. A condutividade térmica do AlN é alta. Além disso, possui alta resistência elétrica, o que o torna útil como excelente material dissipador de calor. A condutividade cerâmica é influenciada por diversas propriedades.

A presença de impurezas pode impactar ainda mais a transferência de calor. Com o aumento da impureza de oxigênio, diz-se que a condutividade aumenta para o AlN. Além disso, o número de vacâncias presentes na rede cristalina ou impurezas de silício e carbono diminui a condutividade térmica.

As propriedades térmicas do AlN podem ser controladas durante o próprio processo de produção. As mudanças na microestrutura e as diferentes condições durante o processamento ajudam a variar o fluxo térmico. O uso de pós de alta pureza e a metodologia adotada na sinterização aumentam significativamente a condutividade térmica.

Condutividade térmica do AlN, por que ele é preferido ao BeO?

BeO e AlN, ambas cerâmicas, apresentam alta condutividade térmica. Portanto, podem ser utilizadas em aplicações de alta temperatura. Vamos explorar de que forma o AlN supera o BeO.

Óxido de Berílio (BeO)

A condutividade térmica do Beo está na faixa de 330 W/Mk. São basicamente empregados em situações onde o gerenciamento de calor é crucial. O óxido de berílio, devido à sua condutividade competitiva, é usado como substrato e isolante. Outra aplicação inclui a fabricação de tubos em micro-ondas, onde a estabilidade térmica é importante.

O problema com o BeO é sua toxicidade. O óxido de berílio é perigoso e requer manuseio cuidadoso. A reciclagem e a reutilização da cerâmica são bastante problemáticas quando se trata do manuseio do BeO.

Nitreto de alumínio (AlN)

A condutividade do nitreto de alumínio é comparativamente menor que a do BeO, na faixa de 170 a 210 W/mK. Onde a ausência de toxicidade é preferida, a cerâmica de nitreto encontra seu uso. A cerâmica ALN é usada em LEDs e eletrônicos semicondutores para dissipar calor. O AlN é preferível em aplicações de eletrônica de potência em relação ao BeO devido aos seus méritos.

O alumínio possui alta resistência elétrica e estabilidade térmica, o que o torna um material isolante superior. O nitreto de alumínio é preferido em aplicações de alta temperatura e é usado em suprimentos eletrônicos de consumo para retardar qualquer situação de manuseio inseguro.

Condutividades de várias cerâmicas: uma visão geral

Uma comparação entre a condutividade de diferentes materiais cerâmicos é apresentada no gráfico acima. Como regra geral, um material com menor condutividade é preferível como isolante elétrico. De acordo com a tabela apresentada, a zircônia apresenta menor condutividade, o que a torna adequada como isolante. A condutividade térmica do AlN é muito alta, assim como a dissipação de calor.

Um uso proeminente da condutividade do Aln é em LEDs de alta potência e também em diodos. Esses instrumentos geralmente geram calor. A propriedade de dissipação de calor do AlN ajuda a prevenir o superaquecimento. Isso aumenta a confiabilidade e garante uma vida útil mais longa.

As duas técnicas populares usadas para medir a condutividade térmica do AlN são o método do fio quente e o método da tira quente transiente.

Uso industrial de AlN

O uso industrial popular da cerâmica de nitreto de alumínio é fornecido abaixo:

• Refratário: O AlN é um bom refratário. É usado como revestimento de cadinhos ou para fornecer suporte estrutural para moldes de fundição e acessórios relacionados.

• Substrato eletrônico: Substratos de AlN são usados como módulos militares multichip. Funcionam como placas de dissipação de calor em eletrônica de potência, diodos laser e dissipadores de calor de LED. A capacidade de dissipação de calor é atribuída à sua melhor condutividade.

• Automóveis: O nitreto de alumínio é usado em motores de ignição automotiva híbridos térmicos e a gás. São estáveis em altas temperaturas.

• Material de embalagem:Os nitretos de alumínio são bons materiais de embalagem, resistentes ao calor e duráveis.

Conclusão

A introdução do nitreto de alumínio garantiu a melhor funcionalidade em aplicações de engenharia de alta temperatura. A condutividade térmica superior à de seus equivalentes resultou na produção de componentes com dissipação de calor eficiente em eletrônica de potência. Em suma, há um aumento na vida útil e no desempenho dos materiais, o que é um mérito do nitreto de alumínio.