AlN ile BeO ve AlN ile BN'nin Isıl İletkenlik Karşılaştırması: AlN En İyi Seçim mi?

Mühendislik ve teknolojik yenilikler, endüstrilerin genellikle daha yüksek bir fiyata gelen cam, plastik, metal ve diğer geleneksel malzemelerden uzaklaşmasına yardımcı olur. Farklı uygulamalarda kullanmanıza olanak tanıyan gelişmiş seramik malzemeler gibi daha ekonomik ve yüksek performanslı seçeneklere yönelebilirsiniz. Bu malzemelerin çoğu mükemmel kimyasal, mekanik ve elektriksel özelliklere sahiptir. Ayrıca korozyon direnci, sertlik, sağlamlık ve aşınma direnci açısından da dikkate alınırlar. Aynı zamanda, bu seçenekler uygulamaların başarılı bir şekilde çalışması için gereken çok ihtiyaç duyulan termal kararlılığı sağlar.

Şimdi soru şu: Hangi seramik malzeme daha güvenilirdir - Alüminyum Nitrür (AlN), Berilyum Oksit (BeO) veya Bor Nitrür (BN)? Her biri olağanüstü fiziksel mukavemete ve termal iletkenliğe sahiptir ve bu da onları mükemmel ısı dağılımı özelliklerine sahip malzemeler gerektiren otomotiv, elektronik ve havacılık endüstrileri için ideal bir seçim haline getirir.

Ancak, hangisinin diğerlerinden üstün olduğunu bilmek, özelliklerinin adil bir şekilde anlaşılmasını gerektirir. Bu anlayış, bütünlüklerinden ödün vermeden yüksek ısı altında nasıl performans gösterdiklerini analiz etmeye yardımcı olur ve bu da onları yalıtkanların, yüksek güçlü ekipmanların, ısı emicilerin, elektronik alt tabakaların ve diğer uygulamaların ayrılmaz bir parçası haline getirmeye hak kazandırır. Tipik olarak, birçok uygulama AlN ısı iletkenliği ve diğer özellikler. O halde, açıklık için AlN'nin BeO ve BN ile karşılaştırmalı bir analizini yapalım.

BeO'nun AlN'ye Karşı Isıl İletkenliği: Karşılaştırmalı Bir Bakış

Alüminyum Nitrür ve Berilyum Oksit en çok aranan iki ileri seramiktir. Bunlar, fiziksel özellikler ve termal kararlılık birçok endüstride ve birçok uygulamada.

-> BeO – Fiziksel, Kimyasal ve Termal Özellikler

Bu beyaz kristal oksit, üstün mukavemeti ve sertliğiyle öne çıkar. Erime noktası yaklaşık 2570°C olduğundan yüksek sıcaklık ortamlarında kullanılır. BeO, normal ısıda birçok alkali ve aside tepkisiz olduğundan olağanüstü korozyon direnci gösterir. Ancak, yoğun asitlere karşı direnç gösteremez. Termal özellikler açısından, 330 W/mK'ye kadar ulaşan termal iletkenliğe sahip mükemmel bir ısı iletken malzemedir.

-> AlN - Fiziksel, Kimyasal ve Termal Özellikler

Yaklaşık 3,26 g/cm³ yoğunlukta, alüminyum nitrür inanılmaz mekanik mukavemet sunar. Yüksek ısı iletimi ve elektrik yalıtım kapasiteleri nedeniyle seçilir. Malzeme, özel kimyasal bileşimi nedeniyle oksidasyona ve diğer zorlu ortamlara da dayanabilir. Bütünlüğü ve özellikleri, 2200°C'ye kadar indirgeyici veya inert atmosferlerde bile bozulmadan kalabilir. AlN, formuna ve malzeme saflığına dayanarak, diğer seramik malzemelerle karşılaştırılabilir şekilde yaklaşık 170 ila 200 W/mK'lik bir ısı transfer kabiliyeti de gösterir.

Daha yüksek termal kararlılığı nedeniyle, BeO, ısıyı dağıtmak ve elektronik bileşenlerin ömrünü uzatmak için elektrik yalıtkanlarında ve alt tabakalarında kullanılır. Mikrodalgalar ve lazer tüpleri de bundan faydalanır. Bu seramik malzemenin daha geniş uygulamaları vardır çünkü kristal yapısı ısının aktarılmasına yardımcı olur. Ne yazık ki, bu malzeme üretim ve geri dönüşüm sırasında toksik etkilerinden kaçınmak için yeterli güvenlik önlemleriyle dikkatli bir şekilde ele alınmalıdır.

AlN, uygun termal iletkenliği nedeniyle toksik olmayan ortamlarda kullanılabilir. Örneğin, yarı iletken cihazları ve LED'leri düşünün. Malzeme, aktif alanlardan ısıyı dağıtmak ve cihazların performansını artırmak için bir ısı emici gibi davranır. Toksik olmayan yapısı nedeniyle, güç elektroniği uygulamalarında da faydalıdır.

Özetle, BeO, bazı toksisite risklerinin alınabileceği yüksek sıcaklık koşullarında daha güvenilirdir. Öte yandan, AlN, güvenlik ve sağlığın önceliklendirildiği endüstriyel koşullar ve tüketici elektroniği için daha uygundur. Termal yönetimlerinden ve toksisitesizliklerinden daha fazla yararlanırlar.

AlN ve BN'nin Isıl İletkenlik Rekabet Analizi

Seramik malzemelerin yüksek performans gerektiren özel uygulamalarda artan kullanım durumu ısı iletkenliği veya direnç sanayicileri ve üretim şirketlerini giderek daha fazla alternatif aramaya itiyor. BeO'nun toksik yapısı nedeniyle kısıtlamalarla karşı karşıya olduğunu zaten biliyorsunuz. Ancak, BN gibi daha iyi bir deneyim vaat eden başka bir malzeme daha var. Ancak, AlN'ye karşı nasıl performans gösterdiğinin görülmesi gerekiyor.

BN, büyük katı parçalar veya toz formunda bulunan sıcak preslenmiş bir malzemedir. Ürünün saflık seviyelerini belirleyen birçok derecesi vardır. Sadece en yüksek saflıktaki malzeme mükemmel termal iletkenlik sunabilir ve diğerlerinden daha iyi performans gösterebilir. Bu, BN'nin ısı iletkenliği yüksek saflık standartlarına tabidir. Yine de, mekanik mukavemetten yoksun olabileceklerini ve daha yumuşak olabileceklerini unutmamak gerekir.

AlN dünya çapında öncelikle substrat formunda erişilir. AIN'nin termal iletkenliği kalitesine ve derecesine bağlı olarak değişebilir. Yüksek saflık seviyeleri yaklaşık 220 W/mK'dir, endüstri standardı 170-180 W/mK'dir ve daha düşük kalite 150 W/mK'dir. Bununla birlikte, AlN'nin mekanik mukavemeti ve termal kararlılığı, yarı iletken substratlar, ısı emiciler ve diğer elektronikler gibi çeşitli uygulamalara uygundur. BN, yağlama ve termal direncin gerekli olduğu ortamlarda faydalıdır. Altıgen formda, BN havacılık ve nükleer alanlarda yaygın olarak uygulanır. Kaplamalarda ve yağlayıcılarda kullanılırlar.

AlN'nin PCB'lerde ve Yarı İletkenlerde Kullanım Durumu

Seramik malzemenin ısı iletkenliğine ek olarak, yeteneği Termal Genleşme Katsayısı (CTE) açısından da incelenir. CTE, aynı basınçta farklı sıcaklıklara maruz kaldığında malzemenin uzunluğundaki kesirli değişiklikleri izlemeye yardımcı olur. Alüminyum nitrür CTE Nispeten düşüktür, bu da onu diğer gelişmiş seramiklerden çok daha iyi ve Baskılı Devre Kartları (PCB'ler) ve yarı iletkenler gibi çeşitli temel uygulamalar için son derece güvenilir hale getirir.

PCB'lerde AlN'nin Faydaları

PCB'ler telekomünikasyon, enerji, havacılık ve savunma, otomotiv vb. gibi çeşitli endüstrilerde kullanılır. Ancak, artan talepler nedeniyle hızla büyüyen bir sağlık sektörünün parçası olan tıbbi cihazlara bir örnek verelim. Tıbbi ekipmanın iyi bir ısı yönetim kapasitesine sahip olması ve güvenli olması gerekir. AlN'nin PCB'lere entegrasyonu bu hedeflere ulaşılmasına yardımcı olur. AlN'nin daha yüksek ısı dağılımı, yalıtımı, performansı ve düşük bakım gereksinimleri nedeniyle tıbbi cihazlar dayanıklı ve güvenilir hale gelir. Malzeme, teşhis ekipmanı ve tıbbi görüntüleme gibi yüksek riskli cihazlarda uygulanır. Isıl iletkenlik aralığı 170-200 W/mK'dir. Bu nedenle, tıbbi lazerler ve BT tarayıcıları gibi yüksek güçlü cihazlarda bile ısıyı iyi yönetebilir.

Benzer şekilde, AlN'nin optimum dielektrik dayanım aralığı 15-20 kV/mm olup, performanstan ödün vermeden elektriksel girişimlerden korunma gerektiren yüksek gerilimli ekipmanlar için güvenlidir.

Tıbbi cihazlar teknolojide hızla ilerleme kaydediyor. Gelişmiş ekipmanlar AlN'nin ısıl iletkenliğinden, kararlılığından ve düşük bakım özelliklerinden faydalanıyor. Ancak, giyilebilir cihazlar ve daha az invaziv tıbbi aletler için daha yüksek nem ve ısı direnci standartlarını geliştirmek ve sürdürmek için malzeme sürekli olarak yükseltiliyor veya rafine ediliyor.

Yarıiletken Endüstrisinde AlN'nin Faydaları

AlN CTE, yalıtım voltajı, mukavemet ve diğer nitelikleri onu yarı iletken alanı için uygun bir seçim haline getirir. alüminyum nitrür bileşiği kovalent bağlara sahip altıgen bir yapıya ve a = 3.114 ve c = 4.986 kafes parametrelerine sahiptir. Yüksek saflık seviyelerine sahip malzemeler mavimsi beyaz görünür ve AlN normalde kirli beyaz renginde davranır. Elektriksel özelliklerini göz önünde bulundurarak, saf AlN'nin oda sıcaklığındaki elektronegatifliğinin 1014Ω-cm'den fazla olduğunu göreceksiniz, bu da yalıtım gücünü gösterir. Elektromekanik kuplaj CTE'si 0.8%'dir. Bu malzemenin korozyon direnci, bakır, kurşun, alüminyum, nikel, gümüş, galyum arsenit vb. gibi birçok metal ve erimiş tuz türüne karşı koyabileceğini gösteren başka bir çekici öneridir.

Mükemmel elektron doygunluk noktası, radyasyon direnci, elektrik alanı ve bant aralığı sağladığı için 3. nesil yarı iletken malzemeler arasında sayılır. Çalışmalar, AlN'nin cm başına 7,3 megavolt elektrik alanına dayanabileceğini, bunun da galyum nitrür ve silisyum karbür gibi silisyumdan çok daha iyi olduğunu göstermektedir. Ayrıca, AlN sistemleri aynı zamanda düzgün bir akım akışına da izin verir. Ancak, bu malzemenin karşılaştığı zorluklardan biri dopingdir; bir yarı iletkenin yük taşıyıcı konsantrasyonunu iyileştirmek için safsızlık elementleri eklemek. Yine de, bu yeni ortaya çıkan bir stratejidir ve araştırmacılar sürekli olarak AlN'yi yarı iletkenler için mükemmel bir uyum haline getirmenin yolları üzerinde çalışmaktadır.

Çözüm

AlN, Beo ve BN gibi gelişmiş seramik malzemeler, metal, cam ve plastikle karşılaştırıldığında hem maliyet açısından verimli hem de yüksek performanslıdır. Ancak, bu seramik substratlar benzersizdir ve bileşimlerine ve risk faktörlerine göre farklı ortamlarda kullanılır. Örneğin, toksik olmayan AlN, termal kararlılığı ve iletkenliği nedeniyle birçok uygulamada yaygın olarak kullanılır.

SSS

Peki AlN tam olarak nedir?

Elektrikli cihazlar ve diğer sektörler, yalıtım ve ısı transferi kabiliyetleri nedeniyle her zaman yüksek termal yönetim performansına sahip daha iyi malzemeler ararlar. AlN bu beklentileri hızla karşılayabilir. Ayrıca yarı iletken endüstrisi için BeO'dan daha güvenli bir alternatif olarak kabul edilir. Bunu teknik bir seramik malzeme olarak da düşünebilirsiniz.

AlN seramiklerinin amacı nedir?

Olağanüstü yalıtım, ısıl iletkenlik, düşük dielektrik kaybı ve plazma erozyonuna dayanıklılık yeteneği, bu malzemenin uzun ömür ve olağanüstü performans için yarı iletken ekipmanlarda, OLED'lerde ve diğer cihazlarda birleştirilmesine olanak tanıyan güçlü yönlerdir.

AlN seramiklerle çalışırken hangi önlemler alınmalıdır?

Kimyasal reaksiyon olasılığı nedeniyle suya, alkalilere, inorganik asitlere veya diğer bu tür malzemelere daldırılamazlar. Ancak AlN, kriyolit, klorür ve diğer erimiş tuzlardan etkilenmez.

Tıbbi cihazlarda AlN PCB'leri nem sorunlarından korumak için neler yapılabilir?

AlN'nin performansı, kapsülleme ve koruyucu kaplamalar yoluyla güvence altına alınabilir ve korunabilir.

 AlN'yi nerede kullanıyorsunuz?

Yukarıda da değinildiği gibi lazerlerde, ısı yayıcılarda, ısı emicilerde, yarı iletken aygıtlarda, silikon yonga işlemede, mikroelektronik aygıtlarda, elektronik paketlerde, sensörlerde ve dedektörlerde ve daha birçok alanda kullanılabilir.