En el contexto del desarrollo integrado y de alta potencia de los dispositivos electrónicos, la disipación del calor se ha convertido en un cuello de botella clave que restringe la mejora del rendimiento. Como material emergente de gestión térmica, la alta conductividad térmica nitruro de aluminio (AlN) han mostrado amplias perspectivas de aplicación en semiconductores de potencia, iluminación LED, comunicación 5G y otros campos debido a su excelente conductividad térmica, buen aislamiento eléctrico y estabilidad mecánica.
Mecanismo de conductividad térmica y propiedades de los materiales cerámicos de nitruro de aluminio
Estructura cristalina y mecanismo de conductividad térmica
El nitruro de aluminio tiene una estructura hexagonal wurtzita, en la que Al ³ ⁺ y N ³ - forman tetraedros [AlN ₄] mediante enlaces covalentes. Su conductividad térmica teórica puede alcanzar 320 W/(m - K), y el producto real puede llegar a 180-230 W/(m - K). La alta conductividad térmica se origina en la conducción eficiente de fonones (vibraciones de la red), con un camino libre medio cercano al nivel micrométrico, muy superior al mecanismo de conductividad térmica electrónica de los metales.
Principales ventajas de los materiales
Conductividad térmica: 5-8 veces superior a la del óxido de aluminio (Al ₂ O ∝), cercana a la del óxido de berilio (BeO) pero no tóxica y respetuosa con el medio ambiente;
Aislamiento eléctrico: Resistividad volumétrica>10 ¹⁴Ω- cm, adecuada para escenarios de aislamiento eléctrico de alta tensión;
Coeficiente de dilatación térmica: igual al del silicio (Si) y el arseniuro de galio (GaAs) (4,5-5,5 ppm/℃), reducir el estrés térmico;
Resistencia mecánica: Resistencia a la flexión>300 MPa, adecuado para el diseño delgado.
Puntos clave del diseño de placas circulares
Diámetro y grosor: El tamaño convencional es de 10-200mm, el grosor es de 0,2-5mm, soportando personalizaciones. procesamiento;
Tratamiento de la superficie: metalización (chapado en oro, chapado en cobre), perforación o ranurado por láser para mejorar la eficacia de la soldadura o la disipación del calor;
Planitud: La rugosidad superficial Ra<0,5 μ m garantiza una resistencia térmica mínima de la interfaz.
Proceso de preparación y tecnologías clave
Síntesis de polvos
Mediante el uso de carbono método de reducción térmica o auto propagación de síntesis de alta temperatura (SHS), la actividad de sinterización se garantiza mediante el control de la pureza de la materia prima (fuente de Al ≥ 99,5%), distribución de tamaño de partícula (D50<1 μ m), y el contenido de oxígeno (<500ppm).
Tecnología de conformado
Moldeo por colada: adecuado para láminas finas con un grosor de ≤ 0,5 mm, consiguiendo cuerpos verdes de alta densidad mediante la optimización de la viscosidad de la lechada y los dispersantes (como el PVP);
Moldeo por presión isostática: Combinando el moldeo y el prensado isostático en frío (CIP), la uniformidad de la densidad alcanza ± 0,5%;
Moldeo por inyección: Moldeo integrado de estructuras complejas, adecuado para la producción en serie.
proceso de aglomeración
Sinterización a presión atmosférica: adición de auxiliares de sinterización como Y ₂ O3 y CaO, sinterización a 1800-1900 ℃ en atmósfera de N ₂ para promover el crecimiento del grano;
Sinterización por prensado en caliente (HP): se puede lograr la densificación a 1700 ℃ bajo presión asistida, con tamaño de grano<2 μ m, mejorando la conductividad térmica;
Control de la atmósfera: Se utiliza gas mezclado N ₂/H ₂ dinámico para suprimir la oxidación y descomposición del AlN.
Tecnología de tratamiento posterior
Corte por láser: zona afectada por el calor<50 μ m, colapso del borde ≤ 10 μ m;
Pulido químico: tratamiento ácido mixto HF/HNO3, la rugosidad superficial alcanza Ra<0,1 μ m;
Proceso de metalización: Deposición por magnetrón sputtering o galvanoplastia de la capa de Cu/Au, con un espesor controlable de 1-10 μ m.
Como nueva generación de materiales de gestión térmica, las ventajas de rendimiento de la alta conductividad térmica chapas circulares cerámicas de nitruro de aluminio son cada vez más importantes en el proceso de alta densidad de los dispositivos electrónicos. Mediante el diseño de materiales, la optimización de procesos y la innovación colaborativa interdisciplinar, se espera que en el futuro desempeñe un papel más importante en campos estratégicos como los vehículos de nueva energía, la inteligencia artificial y la industria aeroespacial, convirtiéndose en un rompecabezas clave para resolver el "cuello de botella caliente".
