Độ dẫn nhiệt của nhôm nitrua: Những điều cần biết

Nhôm nitride đã thúc đẩy sự tham gia của nó vào khoa học với sự tiến bộ của gốm sứ. AlN có khả năng dẫn nhiệt và cách điện tuyệt vời. AlN cũng có ưu điểm là không gây nguy hiểm cho sức khỏe người lao động trong quá trình gia công. Do đó, AlN được coi là vượt trội hơn các loại gốm sứ cạnh tranh khác.

Tính chất của AlN: Hướng dẫn nhanh để tham khảo

Dưới đây là hướng dẫn nhanh để tìm hiểu tất cả các tính chất của nhôm nitrua. Bảng này sẽ giúp bạn đánh giá bối cảnh sử dụng AlN.

Nhôm Nitride được tổng hợp như thế nào?

Nhôm nitride có thể được sản xuất bằng phương pháp nitơ hóa trực tiếp nhôm oxit. Một phương pháp sản xuất khác bao gồm khử nhiệt cacbon nhôm oxit. Các liên kết cộng hóa trị trong AlN rất bền nên việc thiêu kết trở nên khó khăn hơn. Để sản xuất AlN bằng phương pháp thiêu kết, vật liệu cần các chất phụ gia đặc biệt ở dạng lỏng.

Có một số phương pháp để sản xuất gốm sứ tiên tiến. Việc sản xuất gốm nitride trên toàn cầu về cơ bản được thực hiện bằng phương pháp ép đẳng tĩnh hoặc ép khô. Các phương pháp khác bao gồm ép phun gốm hoặc ép phun áp suất thấp. Phương pháp thiêu kết AlN bao gồm thiêu kết plasma xung điện, thiêu kết không áp suất và thiêu kết vi sóng.

Quá trình tạo hình gốm nitride có hai loại: loại khô và loại ướt. Tạo hình khô có thể là tạo hình thông thường hoặc đẳng tĩnh nguội. Tạo hình ướt được sử dụng để tạo ra các hình dạng phức tạp. Các phương pháp bao gồm đúc trượt, đúc gel băng và ép phun.

Chi tiết về tính chất vật lý của Nhôm Nitride

Nhôm nitride, đúng như tên gọi, là nitride ở dạng rắn được tạo thành từ Alumina. Nó có khoảng cách dải rộng. Khối lượng nguyên tử nhỏ và liên kết liên nguyên tử cao hơn giúp gốm bền chắc. Nhìn chung, nó tuân theo cấu trúc tinh thể wurtzite và cũng có pha lập phương bán bền.

Độ dẫn nhiệt của nhôm dao động từ 150 - 320 W/m·K. Độ dẫn điện của nhôm nitrua vào khoảng 10-11 đến 10-13. Khi được pha tạp, độ dẫn điện giảm xuống còn 10-5 hoặc 10-6. Nhìn chung, nhôm ở pha wurtzite có ứng dụng liên quan đến điện tử quang học.

AlN ổn định ở nhiệt độ cao khoảng 2200 độ C. Cấu trúc hình thái của nó bao gồm các lớp oxit trên bề mặt, bảo vệ vật liệu ở nhiệt độ làm việc 1370 độ C. Về khả năng chống ăn mòn, vật liệu này dễ bị ăn mòn bởi kiềm và axit khoáng. Tuy nhiên, gốm nitride có khả năng chống lại sự ăn mòn từ muối nóng chảy.

Tính chất của AlN: Tổng quan

Sau đây là tóm tắt nhanh về các tính chất chính của AlN

• Nhiệt độ hoạt động cao

• Độ dẫn nhiệt tuyệt vời gấp 5 lần so với Alumina

• Giá trị CTE của Aln thấp

• Giá trị hằng số điện môi nhỏ hơn

• Điện trở suất và tính chất cách điện tốt

• Khả năng chịu nén tốt

• Khả năng chống ăn mòn tốt ngoại trừ axit và kiềm

• Độ tinh khiết của AlN ở mức cao hơn

Nhôm Nitride CTE

Hệ số giãn nở nhiệt cho chúng ta một ý tưởng sống động về hành vi nhiệt độ của vật liệu. Gốm sứ tiên tiến được biết đến với hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn. Giá trị CTE sẽ cho chúng ta biết vật liệu giãn nở như thế nào dưới nhiệt độ áp dụng. Tuy nhiên, dưới tác động của nhiệt, cấu trúc nguyên tử vẫn ổn định khi vật liệu giãn nở.

So với kim loại, gốm sứ tiên tiến như AlN có hệ số giãn nở nhiệt bằng một nửa kim loại. Giá trị CTE thấp hơn giúp chúng duy trì độ bền cơ học khi chịu nén. Về độ giãn nở nhiệt, Zirconia và Alumina xếp hạng cao nhất, trong khi Silicon Nitride và Carbide xếp hạng thấp nhất.

 Nhôm Nitride CTE nằm trong khoảng từ 5,3 đến 4,2 (x 10-6) K-1 theo trục x và z ở phạm vi nhiệt độ làm việc là 300 K. Nhôm Nitride CTE được coi là tương đương với Silicon.

Hệ số giãn nở nhiệt và hiệu suất của vật liệu nền gốm

Mặc dù AlN nổi trội về khả năng truyền nhiệt tốt và điện trở, hỗ trợ vi điện tử, nhưng chúng ta hãy cùng xem CTE có tác động như thế nào đến hoạt động của các tấm nền gốm nền AlN.

Tác động của sự giãn nở nhiệt trong chất nền DBC

Đế DBC có Aln hoặc Silicon Nitride liên kết với đồng. Sự chênh lệch giãn nở nhiệt giữa Aln, Cu và SiN (4,5 ppm, 17 ppm và 3 ppm) gây ra ứng suất cơ học cao. Ứng suất này gây ra các vết nứt trên hình dạng vật liệu. Các vết nứt hình thành do các chu kỳ va đập trong quá trình nung nóng và làm nguội gốm.

Do đó, việc quản lý CTE rất quan trọng đối với hoạt động lâu dài của nền gốm. So sánh CTE khác nhau của các loại vật liệu gốm khác nhau đã được trình bày ở trên.

Độ dẫn nhiệt của nhôm nitrua

Độ dẫn nhiệt thể hiện khả năng truyền nhiệt của vật liệu. Độ dẫn nhiệt của AlN cao. Ngoài ra, chúng có điện trở suất lớn, giúp chúng trở thành vật liệu tản nhiệt tuyệt vời. Độ dẫn nhiệt của gốm chịu ảnh hưởng của nhiều đặc tính khác nhau.

Sự hiện diện của tạp chất có thể ảnh hưởng lớn hơn đến quá trình truyền nhiệt. Khi lượng tạp chất của oxy tăng lên, độ dẫn nhiệt của AlN được cho là tăng lên. Hơn nữa, số lượng lỗ trống trong mạng tinh thể hoặc tạp chất Si và cacbon làm giảm độ dẫn nhiệt.

Tính chất nhiệt của AlN có thể được kiểm soát ngay trong quá trình sản xuất. Những thay đổi về cấu trúc vi mô và các điều kiện khác nhau trong quá trình xử lý giúp thay đổi dòng nhiệt. Việc sử dụng bột có độ tinh khiết cao và phương pháp được áp dụng trong quá trình thiêu kết làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt.

Độ dẫn nhiệt của AlN, tại sao lại được ưa chuộng hơn BeO?

Cả BeO và AlN đều có độ dẫn nhiệt cao. Vì vậy, chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Hãy cùng tìm hiểu xem AlN vượt trội hơn BeO như thế nào.

Berili Oxit (BeO)

Độ dẫn nhiệt của Beo nằm trong khoảng 330 W/Mk. Chúng chủ yếu được sử dụng trong những trường hợp cần quản lý nhiệt. Nhờ khả năng dẫn nhiệt cạnh tranh, oxit berili được sử dụng làm chất nền và chất cách điện. Ứng dụng khác bao gồm sản xuất ống vi sóng, nơi độ ổn định nhiệt là rất quan trọng.

Vấn đề với BeO là độc tính của nó. Beryllium oxide rất nguy hiểm và cần được xử lý cẩn thận. Việc tái chế và tái sử dụng gốm sứ khá khó khăn khi xử lý BeO.

Nhôm Nitrua (AlN)

Độ dẫn điện của Nhôm Nitride tương đối thấp hơn BeO trong khoảng 170-210 W/mK. Trong trường hợp cần ưu tiên tính không độc hại, gốm Nitride được sử dụng rộng rãi. Gốm ALN được sử dụng trong LED và thiết bị điện tử bán dẫn để tản nhiệt. AlN được ưa chuộng hơn BeO trong các ứng dụng điện tử công suất nhờ những ưu điểm đã được phân tích.

Nhôm Nitride có điện trở suất và độ ổn định nhiệt cao, giúp chúng trở thành vật liệu cách điện tốt hơn. Nhôm Nitride được ưa chuộng trong các ứng dụng nhiệt độ cao và được sử dụng trong nguồn điện tử dân dụng để ngăn ngừa mọi tình huống xử lý không an toàn.

Độ dẫn điện của nhiều loại gốm sứ: Tổng quan

Biểu đồ trên cho thấy sự so sánh giữa độ dẫn điện của các vật liệu gốm khác nhau. Theo nguyên tắc chung, vật liệu có độ dẫn điện thấp hơn được ưu tiên làm vật liệu cách điện. Từ bảng trên, Zirconia có độ dẫn điện thấp hơn, phù hợp làm vật liệu cách điện. Độ dẫn nhiệt của AlN rất cao, do đó khả năng tản nhiệt cũng tốt hơn.

Một ứng dụng nổi bật của tính dẫn điện của AlN là trong đèn LED công suất cao và điốt. Các thiết bị này thường tỏa nhiệt. Đặc tính tản nhiệt của AlN giúp ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt, từ đó tăng độ tin cậy và đảm bảo tuổi thọ dài hơn.

Hai kỹ thuật phổ biến được sử dụng để đo độ dẫn nhiệt của AlN là phương pháp dây nóng và phương pháp dải nóng tạm thời.

Sử dụng AlN trong công nghiệp

Ứng dụng phổ biến của gốm nhôm nitride trong công nghiệp được trình bày dưới đây:

• Vật liệu chịu lửa: AlN là vật liệu chịu lửa tốt. Nó được sử dụng làm lớp lót nồi nấu kim loại hoặc làm giá đỡ kết cấu cho khuôn đúc và các phụ kiện liên quan.

• Chất nền điện tử: Đế AlN được sử dụng làm mô-đun đa chip quân sự. Chúng hoạt động như các bo mạch tản nhiệt trong điện tử công suất, diode laser và tản nhiệt LED. Khả năng tản nhiệt được cho là nhờ độ dẫn điện tốt hơn.

• Ô tô: Nhôm Nitride được sử dụng trong động cơ đánh lửa hybrid ô tô chạy bằng khí và nhiệt. Chúng ổn định ở nhiệt độ cao.

• Vật liệu đóng gói: Nhôm nitrua là vật liệu đóng gói tốt, có khả năng chịu nhiệt và bền.

Phần kết luận

Sự ra đời của Nhôm Nitride đã mang lại hiệu quả tối ưu trong ứng dụng kỹ thuật nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt vượt trội so với các vật liệu tương tự đã tạo ra các thiết bị tản nhiệt hiệu quả trong điện tử công suất. Tóm lại, tuổi thọ và hiệu suất của vật liệu được cải thiện, đó chính là ưu điểm của Nhôm Nitride.