Was sind die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeabgabeeigenschaften von Aluminiumnitridkeramik?

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1、 Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von Aluminiumnitrid-Keramiken
Aluminiumnitridkeramik (AlN) hat aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Ihre theoretische Wärmeleitfähigkeit kann bis zu 320 W/(m - K) erreichen, während die Wärmeleitfähigkeit aktueller kommerzieller Produkte im Allgemeinen zwischen 170 W/(m - K) und 260 W/(m - K) liegt. Diese hohe Wärmeleitfähigkeit ist vor allem auf seine einzigartige Kristallstruktur und seine geringe Atommasse zurückzuführen, die eine effiziente Wärmeleitung ermöglicht.

Im Vergleich zu anderen gängigen keramischen Werkstoffen ist die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitridkeramik viel höher als die von Aluminiumoxidkeramik (Al ₂ O3, mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 20-30 W/(m - K)) und Siliziumnitridkeramik (Si ∝ N ₄, mit einer Wärmeleitfähigkeit von in der Regel weniger als 150 W/(m - K)). Darüber hinaus wird die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitridkeramik weniger von der Temperatur beeinflusst, insbesondere oberhalb von 200 ℃, und ihre Wärmeleitfähigkeitsstabilität ist besser als die von Materialien wie Berylliumoxid (BeO).

2、 Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen
Obwohl Aluminiumnitridkeramiken eine hohe theoretische Wärmeleitfähigkeit haben, ist die Wärmeleitfähigkeit in tatsächlichen Produkten oft durch verschiedene Faktoren begrenzt:

1. Sauerstoffgehalt: Aluminiumnitrid hat eine starke Affinität zu Sauerstoff, und Sauerstoffverunreinigungen können während des Sinterns leicht in das AlN-Gitter diffundieren, Aluminiumlücken bilden und Gitterdefekte verursachen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit erheblich verringert wird.
2. Die Dichte: Je höher die Dichte eines Materials ist, desto höher ist seine Wärmeleitfähigkeit. Die Wahl des Sinterverfahrens und der Sinterhilfsmittel hat einen erheblichen Einfluss auf die Dichte und Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitridkeramik.
3. Reinheit des Pulvers: Hochreines Aluminiumnitridpulver (mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 1%) ist der Schlüssel zur Herstellung von Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Auch die Partikelgröße und die Mikrostruktur des Pulvers beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit des Endprodukts.
4. Mikrogefüge: Mikrostrukturfaktoren wie Korngröße, Anzahl und Verteilung der Korngrenzen können die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls beeinflussen.

3、 Wärmeabgabeleistung
Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitridkeramik eignen sie sich hervorragend für Anwendungen zur Wärmeableitung, da sie Wärme schnell von Bereichen mit hoher Temperatur auf Bereiche mit niedriger Temperatur übertragen und so die Betriebstemperatur elektronischer Geräte effektiv senken können. Zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen der Wärmeableitung gehören:

1. Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumnitridkeramik reicht von 3,2 × 10 -⁶/℃ bis 4,6 × 10 -⁶/℃, was mit Halbleitermaterialien wie Siliziumchips (3,0 × 10 -⁶/℃) und Galliumarsenid (5,8 × 10 -⁶/℃) sehr gut verträglich ist und die durch thermische Belastung verursachte Rissbildung an den Grenzflächen wirksam verringert.
2. Hohe Temperaturstabilität: Aluminiumnitridkeramiken können ihre strukturelle Integrität auch bei hohen Temperaturen (z. B. 400 ℃ Temperaturschocktests und 1000 ℃ aerobe Umgebung) beibehalten und eignen sich daher für Anwendungen, die häufige Temperaturwechsel erfordern.
3. Leistung der Isolierung: Aluminiumnitridkeramiken haben gute elektrische Isolationseigenschaften mit einem spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von mehr als 10 ¹⁶Ω- m und können als Isolationssubstrate für elektronische Geräte verwendet werden.

4、 Anwendungsbereiche
Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und der ausgezeichneten Wärmeableitung von Aluminiumnitridkeramik werden sie in zahlreichen High-Tech-Bereichen eingesetzt:

1. Elektronikindustrie: Aluminiumnitrid-Keramiksubstrate können für die Verpackung von integrierten Hochleistungsschaltungen, Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) und anderen Leistungsbauelementen verwendet werden, wodurch die Temperatur an der Chip-Sperrschicht erheblich gesenkt und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauelemente verbessert werden kann.
2. Halbleiterindustrie: Aluminiumnitridkeramik kann zur Herstellung von Halbleitergehäusesubstraten verwendet werden, und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient stimmt gut mit dem von Siliziummaterialien überein, was die thermische Belastung verringern kann.
3. Luft- und Raumfahrt: Aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit eignen sich Aluminiumnitridkeramiken für die Wärmeableitung in elektronischen Hochtemperaturgeräten in der Luft- und Raumfahrt.
4. Kfz-Elektronik: Im Batteriemanagementsystem (BMS) von Elektrofahrzeugen können Aluminiumnitrid-Keramik-Kühlkörper die Wärme der Batterie effektiv steuern und einen stabilen Betrieb der Batterie unter verschiedenen Arbeitsbedingungen gewährleisten.

Aluminiumnitrid-Keramik haben aufgrund ihrer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung breite Anwendungsmöglichkeiten in der modernen Elektronik- und Halbleiterindustrie und werden in Zukunft voraussichtlich eine wichtige Rolle in weiteren High-Tech-Bereichen spielen.

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