High thermal conductivity aluminum nitride ceramic circular sheet

Im Zusammenhang mit der Entwicklung leistungsstarker und integrierter elektronischer Geräte hat sich die Wärmeableitung zu einem wichtigen Engpassfaktor entwickelt, der eine Leistungssteigerung verhindert. Als ein aufstrebendes Material für das Wärmemanagement ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit Aluminiumnitrid (AlN) haben aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, guten elektrischen Isolierung und mechanischen Stabilität breite Anwendungsmöglichkeiten in Leistungshalbleitern, LED-Beleuchtung, 5G-Kommunikation und anderen Bereichen gefunden.

Mechanismus der Wärmeleitfähigkeit und Materialeigenschaften von Aluminiumnitridkeramiken
Kristallstruktur und Mechanismus der Wärmeleitfähigkeit
Aluminiumnitrid hat eine hexagonale Wurtzitstruktur, in der Al ³ ⁺ und N ³ - durch kovalente Bindungen [AlN ₄]-Tetraeder bilden. Seine theoretische Wärmeleitfähigkeit kann 320 W/(m - K) erreichen, das tatsächliche Produkt erreicht 180-230 W/(m - K). Die hohe Wärmeleitfähigkeit beruht auf der effizienten Leitung von Phononen (Gitterschwingungen) mit einer mittleren freien Weglänge im Mikrometerbereich, die weit über die elektronische Wärmeleitfähigkeit von Metallen hinausgeht.
Wesentliche Vorteile der Materialien
Wärmeleitfähigkeit: 5-8 mal höher als Aluminiumoxid (Al ₂ O ∝), ähnlich wie Berylliumoxid (BeO), aber ungiftig und umweltfreundlich;
Elektrische Isolierung: Durchgangswiderstand>10 ¹⁴Ω- cm, geeignet für elektrische Hochspannungsisolationsszenarien;
Wärmeausdehnungskoeffizient: entspricht dem von Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs) (4,5-5,5 ppm/℃), Verringerung der thermischen Belastung;
Mechanische Festigkeit: Biegefestigkeit>300 MPa, geeignet für dünnes Design.
Eckpunkte der kreisförmigen Plattengestaltung
Durchmesser und Dicke: Konventionelle Größe ist 10-200mm, Dicke ist 0,2-5mm, Unterstützung kundenspezifisch Verarbeitung;
Oberflächenbehandlung: Metallisierung (Vergoldung, Verkupferung), Laserbohren oder Nuten zur Verbesserung der Schweiß- oder Wärmeableitungseffizienz;
Ebenheit: Die Oberflächenrauhigkeit Ra<0,5 μ m gewährleistet einen minimalen Wärmewiderstand an der Schnittstelle.

Vorbereitungsverfahren und Schlüsseltechnologien
Pulversynthese
Durch den Einsatz der thermischen Kohlenstoffreduktionsmethode oder der selbstausbreitenden Hochtemperatursynthese (SHS) wird die Sinteraktivität durch Kontrolle der Reinheit des Rohmaterials (Al-Quelle ≥ 99,5%), der Partikelgrößenverteilung (D50<1 μ m) und des Sauerstoffgehalts (<500ppm) sichergestellt.
Umformtechnik
Gussformen: geeignet für dünne Platten mit einer Dicke von ≤ 0,5 mm, wobei durch Optimierung der Viskosität der Aufschlämmung und der Dispergiermittel (z. B. PVP) hochdichte Grünkörper erzielt werden;
Isostatische Druckumformung: Durch die Kombination von Formgebung und kaltisostatischem Pressen (CIP) erreicht die Gleichmäßigkeit der Dichte ± 0,5%;
Spritzgießen: Integriertes Gießen komplexer Strukturen, geeignet für die Massenproduktion.
Agglomerationsprozess
Atmosphärendrucksintern: Zugabe von Sinterhilfsmitteln wie Y ₂ O3 und CaO, Sintern bei 1800-1900 ℃ in N ₂-Atmosphäre zur Förderung des Kornwachstums;
Heißpresssintern (HP): Die Verdichtung kann bei 1700 ℃ unter Druckunterstützung erreicht werden, mit einer Korngröße <2 μ m, was die Wärmeleitfähigkeit verbessert;
Atmosphärenkontrolle: Dynamisches N ₂/H ₂-Mischgas wird verwendet, um die Oxidation und Zersetzung von AlN zu unterdrücken.
Nachbearbeitungstechnik
Laserschneiden: Wärmeeinflusszone<50 μ m, Kanteneinbruch ≤ 10 μ m;
Chemisches Polieren: Behandlung mit einem HF/HNO3-Säuregemisch, die Oberflächenrauhigkeit erreicht Ra<0,1 μ m;
Metallisierungsverfahren: Magnetronsputtern oder galvanische Abscheidung einer Cu/Au-Schicht mit einer kontrollierbaren Dicke von 1-10 μm.

Als neue Generation von Wärmemanagementmaterialien bieten sie die Leistungsvorteile einer hohen Wärmeleitfähigkeit Aluminiumnitrid-Keramik-Rundplatten werden bei der Herstellung von elektronischen Geräten mit hoher Dichte immer wichtiger. Durch Materialdesign, Prozessoptimierung und disziplinübergreifende kollaborative Innovation wird erwartet, dass sie in Zukunft eine größere Rolle in strategischen Bereichen wie Fahrzeugen mit neuer Energie, künstlicher Intelligenz und Luft- und Raumfahrt spielen und zu einem wichtigen Puzzle zur Lösung des "heißen Engpasses" werden.