Alüminyum nitrürün ısı iletkenliği: Bilinmesi gerekenler

Alüminyum nitrür, seramik alanındaki gelişmelerle birlikte bilime olan ilgisini de artırmıştır. AlN, ısı iletkenliği ve elektrik yalıtımı açısından mükemmeldir. Ayrıca, işleme sırasında işçiler için sağlık riski oluşturmaması gibi bir avantajı da vardır. Bu nedenle, diğer rakip seramiklerden daha üstün kabul edilmektedir.

AlN'nin Özellikleri: Başvurulacak hızlı bir kılavuz

Alüminyum Nitrür'ün tüm özelliklerini öğrenmeniz için hızlı bir kılavuz. Tablo, AlN kullanım bağlamını değerlendirmenize yardımcı olacaktır.

Alüminyum Nitrür nasıl sentezlenir?

Alüminyum nitrür, alüminanın doğrudan nitrürlenmesiyle üretilebilir. Diğer bir üretim yöntemi ise alümina karbotermik redüksiyondur. AlN'deki kovalent bağlar çok güçlü olduğundan sinterlemeyi zorlaştırır. Sinterleme yoluyla AlN üretimi için, malzemenin sıvı formda özel katkı maddelerine ihtiyacı vardır.

İleri seramik üretimi için çeşitli yöntemler mevcuttur. Nitrür seramiklerin küresel üretimi temel olarak izostatik presleme veya kuru presleme ile yapılır. Diğer yöntemler arasında seramik içeren enjeksiyon kalıplama veya düşük basınç bazlı enjeksiyon kalıplama yer alır. AlN sinterleme yöntemi, kıvılcım plazma sinterleme, basınçsız sinterleme ve mikrodalga sinterlemeyi içerir.

Nitrür seramik şekillendirme işlemleri iki türdür: Kuru ve ıslak. Kuru şekillendirme, normal ve soğuk izostatik olabilir. Islak şekillendirme, karmaşık şekiller üretmek için kullanılır. Bu yöntemler arasında kayma, bant jel döküm ve enjeksiyon kalıplama bulunur.

Alüminyum Nitrür'ün fiziksel özellikleri hakkında ayrıntılı bilgi

Alüminyum nitrür, adından da anlaşılacağı gibi, alüminadan oluşan katı haldeki nitrürü ifade eder. Geniş bir bant aralığına sahiptir. Küçük atom kütlesi ve yüksek atomlar arası bağlar seramiği güçlü kılar. Genellikle wurtzit kristal yapısını takip eder ve aynı zamanda metastabil bir kübik faza sahiptir.

Alüminyumun ısı iletkenliği 150 - 320 W/m K arasında değişir. Alüminyum Nitrür'ün elektriksel iletkenliği 10-11 ila 10-13 civarındadır. Katkılandığında iletkenlik 10-5 veya 10-6'ya düşer. Genellikle, wurtzite fazındaki Alüminyum, optik elektronikle ilgili uygulamalara sahiptir.

AlN, yaklaşık 2200°C gibi yüksek sıcaklıklarda kararlıdır. Morfolojisi, 1370°C çalışma sıcaklığında malzemeyi koruyan yüzeydeki oksit tabakalarından oluşur. Korozyon direncinden bahsedecek olursak, alkali ve mineral asitlerin neden olduğu saldırılara karşı hassastır. Ancak nitrürlü seramik, erimiş tuzların saldırılarına karşı dayanıklıdır.

AlN özellikleri: Bir bakış

İşte AlN'nin temel özelliklerinin kısa bir özeti

• Yüksek çalışma sıcaklığı

• Alüminadan 5 kat daha büyük mükemmel ısı iletkenliği

• Aln'nin CTE değeri düşüktür

• Dielektrik sabiti değeri daha azdır

• İyi elektriksel direnç ve yalıtım özellikleri

• İyi Basınç direnci

• Asitler ve alkaliler hariç iyi korozyon direnci

• AlN'nin saflığı daha yüksek taraftadır

Alüminyum Nitrür CTE

Isıl genleşme katsayısı, malzemenin sıcaklık davranışı hakkında bize canlı bir fikir verir. Gelişmiş seramikler, daha düşük ısıl genleşmeleriyle bilinir. Isıl genleşme katsayısı (CTE) değeri, malzemenin uygulanan sıcaklık altında nasıl genleştiğini anlamamızı sağlar. Ancak, ısı uygulandığında, malzeme genleştiğinde atomik yapı sabit kalır.

Metallerle karşılaştırıldığında, AlN gibi gelişmiş seramikler, bir metalin yarı termal genleşme katsayısına sahiptir. Daha düşük CTE değeri, basınç altında mekanik dayanımlarını korumalarını sağlar. Termal genleşme açısından, Zirkonya ve Alümina en yüksek sırada yer alırken, Silisyum Nitrür ve Karbür en düşük sırada yer alır.

 Alüminyum Nitrür CTE, 300 K çalışma sıcaklığı aralığında x ve z eksenleri boyunca 5,3 ila 4,2 (x 10-6) K-1 aralığındadır. Alüminyum Nitrür CTE'nin Silisyuma eşdeğer olduğu kabul edilir.

Isıl genleşme katsayısı ve seramik alt tabakanın verimliliği

AlN, mikroelektroniğe katkı sağlayan iyi sıcaklık transferi ve elektrik direnci özellikleriyle öne çıksa da, CTE'nin Aln bazlı seramik alt tabakaların çalışması üzerindeki etkisini görelim.

DBC alt tabakasında termal genleşmenin etkisi

DBC alt tabakası, bakıra bağlı Aln veya Silisyum Nitrür içerir. Aln, Cu ve SiN arasındaki termal genleşme farkları (4,5 ppm, 17 ppm ve 3 ppm) yüksek mekanik strese neden olur. Stres, geometride çatlaklara yol açar. Çatlaklar, seramiğin ısıtılıp soğutulması sırasında oluşan şok döngüleri sonucunda oluşur.

Dolayısıyla, CTE yönetimi, seramik alt tabakanın uzun vadeli çalışması için hayati önem taşımaktadır. Yukarıda, çeşitli seramik malzemelerin farklı CTE değerlerinin karşılaştırması verilmiştir.

Alüminyum Nitrür'ün Isıl İletkenliği

Isıl iletkenlik, bir malzemenin ısı enerjisinin herhangi bir şeyden ne kadar iyi geçtiğini gösterir. AlN'nin ısıl iletkenliği yüksektir. Ayrıca, yüksek elektrik direncine sahip olmaları, mükemmel ısı dağıtıcı malzeme olarak kullanılmalarını sağlar. Seramik iletkenliği çeşitli özelliklerden etkilenir.

Safsızlıkların varlığı, ısı transferini daha büyük ölçüde etkileyebilir. Oksijen safsızlığındaki artışla birlikte, AlN iletkenliğinin arttığı söylenir. Ayrıca, kristal kafeste veya Silisyum ve karbon safsızlıklarında bulunan boşluk sayısı, ısı iletkenliğini azaltır.

AlN'nin ısıl özellikleri, üretim süreci boyunca kontrol edilebilir. Mikro yapıdaki değişiklikler ve işleme sırasındaki farklı koşullar, termal akışın çeşitlendirilmesine yardımcı olur. Yüksek saflıkta tozların kullanımı ve sinterlemede benimsenen yöntem, termal iletkenliği önemli ölçüde artırır.

AlN'nin ısıl iletkenliği, BeO'ya göre neden tercih edilmektedir?

BeO ve AlN seramiklerinin her ikisi de yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılabilirler. AlN'nin BeO'yu hangi açılardan geride bıraktığını inceleyelim.

Berilyum Oksit (BeO)

Beo'nun termal iletkenliği 330 W/Mk aralığındadır. Genellikle ısı yönetiminin kritik önem taşıdığı durumlarda kullanılırlar. Rekabetçi iletkenlikleri nedeniyle berilyum oksit, altlık ve yalıtkan olarak kullanılır. Diğer uygulama alanları arasında, termal kararlılığın önemli olduğu mikrodalga fırınlarda tüp üretimi yer alır.

Beo'nun sorunu zehirli olmasıdır. Berilyum oksit tehlikelidir ve dikkatli bir şekilde kullanılması gerekir. BeO'nun kullanımı söz konusu olduğunda seramiğin geri dönüştürülmesi ve yeniden kullanılması oldukça sorunludur.

Alüminyum Nitrür (AlN)

Alüminyum Nitrür'ün iletkenliği, 170-210 W/mK aralığında BeO'dan nispeten daha düşüktür. Toksik olmayan bir ortamın tercih edildiği durumlarda, Nitrür seramik kullanım alanı bulur. ALN seramik, ısıyı dağıtmak için LED ve yarı iletken elektroniklerde kullanılır. Belirtilmiş avantajları nedeniyle AlN, güç elektroniği uygulamalarında BeO'ya tercih edilir.

Aln, yüksek elektrik direncine ve ısıl kararlılığa sahip olduğundan daha iyi bir yalıtım malzemesidir. Alüminyum Nitrür, yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilir ve tüketici bazlı elektronik tedarikinde, güvenli olmayan kullanım durumlarını geciktirmek için kullanılır.

Çeşitli seramiklerin iletkenlikleri: Genel Bakış

Yukarıdaki grafikte, farklı seramik malzemelerin iletkenliklerinin karşılaştırması verilmiştir. Genel kural olarak, daha düşük iletkenliğe sahip bir malzeme elektrik yalıtkanı olarak tercih edilir. Verilen tabloya göre, Zirkonya daha düşük iletkenliğe sahip olduğundan yalıtkan olarak kullanılmaya uygundur. AlN'nin ısıl iletkenliği çok yüksek olduğundan, ısı dağılımı da yüksektir.

Aln iletkenliğinin öne çıkan kullanım alanlarından biri de yüksek güçlü LED'ler ve diyotlardır. Bu cihazlar genellikle ısı üretir. Aln'nin ısı dağıtma özelliği, aşırı ısınmayı önlemeye yardımcı olur. Bu, güvenilirliği artırır ve daha uzun kullanım ömrü sağlar.

AlN'nin ısıl iletkenliğini ölçmek için kullanılan iki popüler teknik, sıcak tel yöntemi ve geçici sıcak şerit yöntemidir.

AlN'nin endüstriyel kullanımı

Alüminyum Nitrür seramiğinin popüler endüstriyel kullanımları aşağıda verilmiştir:

• Ateşe dayanıklı: AlN iyi bir refrakterdir. Pota astarı olarak veya döküm kalıpları ve ilgili aksesuarlar için yapısal destek sağlamak amacıyla kullanılır.

• Elektronik alt tabaka: AlN alt tabakaları, askeri çok çipli modüller olarak kullanılır. Güç elektroniği, lazer diyotlar ve LED soğutucularda ısı dağıtım kartı olarak işlev görürler. Isı dağıtım kapasiteleri, daha iyi iletkenliklerine atfedilir.

• Otomobiller: Alüminyum Nitrür, termal ve gaz bazlı hibrit otomobil ateşlemeli motorlarda kullanılır. Yüksek sıcaklıklarda kararlıdır.

• Ambalaj malzemesi: Alüminyum nitrürler ısıya dayanıklı ve uzun ömürlü iyi bir ambalaj malzemesidir.

Çözüm

Alüminyum Nitrür'ün piyasaya sürülmesi, yüksek sıcaklık mühendisliği uygulamalarında en iyi işlevselliği sağlamıştır. Benzerlerine kıyasla üstün termal iletkenliği, güç elektroniğinde verimli ısı dağılımı sağlayan bileşenlerin üretilmesini sağlamıştır. Kısacası, Alüminyum Nitrür'ün bir avantajı olarak malzemelerin ömrü ve performansında artış sağlanmıştır.