¿Cuáles son las aplicaciones de la cerámica de nitruro de aluminio?

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Cerámica de nitruro de aluminio (AlN) es un nuevo material cerámico avanzado con un rendimiento integral extremadamente excelente. No es una cerámica tradicional de uso cotidiano, sino un material de alta tecnología preparado mediante procesos especiales, conocido como una de las "coronas" en el campo de los materiales cerámicos. Sus principales ventajas radican en su altísima conductividad térmica, su buen coeficiente de dilatación térmica igualado al del silicio, su excelente aislamiento eléctrico, su fiable estabilidad a altas temperaturas y su inercia química. Estas características lo convierten en un material ideal para resolver problemas clave como la gestión térmica, el embalaje y la resistencia a la corrosión en las modernas industrias de alta tecnología.

1、 Industria Electrónica y Campo de Semiconductores: La solución definitiva para la gestión térmica
Se trata de la mayor y más importante área de aplicación de la cerámica de nitruro de aluminio. Con el aumento de la potencia y la integración de los chips, la disipación del calor se ha convertido en un cuello de botella que limita el rendimiento, la fiabilidad y la vida útil de los dispositivos electrónicos. Las cerámicas de nitruro de aluminio son el material clave para resolver este problema central.
1.1 Embalaje de circuitos integrados (CI) a gran escala y sustrato de disipación de calor
Solución: Los sustratos tradicionales de óxido de aluminio (Al ₂ O ∝) tienen una baja conductividad térmica (alrededor de 20-30 W/mK), que no puede satisfacer los requisitos de disipación de calor de los chips de alta potencia como CPU, GPU, FPGA e IGBT, lo que provoca altas temperaturas de unión, disminución del rendimiento e incluso quemaduras.
Manifestación de la aplicación: La conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio es tan alta como 170-230 W/mK, que es de 7-10 veces la del óxido de aluminio. Puede conducir rápidamente el calor generado por el chip al disipador de calor, reduciendo significativamente la temperatura de la unión de trabajo del chip. Se utiliza principalmente para:
Sustrato cerámico de envasado: Como soporte y vía de disipación del calor de los chips, los circuitos se fabrican mediante procesos de película fina o gruesa.
Almohadilla térmica: se coloca entre el chip y el disipador de calor y sustituye a la grasa térmica para proporcionar un canal térmico más estable y eficaz.
1.2 Componentes clave de los equipos semiconductores
Resolución de problemas: Los procesos de fabricación de semiconductores, como el grabado y el CVD, exigen unos requisitos extremadamente altos de resistencia a la corrosión, pureza y resistencia a la erosión por plasma de los componentes del interior de la cavidad, que debe llevarse a cabo en un entorno de gas y plasma corrosivos. Al mismo tiempo, el proceso requiere una estricta precisión en el control de la temperatura.
Manifestación de la aplicación: Utilizando la alta resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión, alta pureza y buena conductividad térmica del nitruro de aluminio para la fabricación:
ESC (mandril electrostático): Utiliza la fuerza de succión electrostática para fijar las obleas de silicio y controla con precisión la temperatura de la oblea (-60 ° C a 150 ° C) a través de canales de refrigeración internos. Es el componente central de los equipos de litografía, grabado y otros.
Calentador: Placa calefactora base utilizada para CVD y otros equipos, que proporciona un entorno de alta temperatura uniforme y estable.
Revestimiento de la cámara: protege la cámara metálica del plasma y los gases corrosivos, reduce la contaminación del metal y prolonga la vida útil del equipo.
1.3 Dispositivos electrónicos de microondas al vacío
Solución de problemas: Los dispositivos de microondas de alta potencia, como los tubos de ondas viajeras y los klystrons, generan una gran cantidad de calor durante su funcionamiento, al tiempo que mantienen estable la transmisión de la señal a altas frecuencias. El material de embalaje debe tener una conductividad térmica extremadamente alta y una constante dieléctrica y unas pérdidas bajas.
Manifestación de aplicaciones: Las cerámicas de nitruro de aluminio cumplen perfectamente estos requisitos y se utilizan como ventanas de energía (RF Windows), barras de soporte y paquetes para garantizar un funcionamiento estable y una larga vida útil de los dispositivos a alta potencia.

2、 Optoelectrónica y LED: la piedra angular de la iluminación de alta densidad de potencia
Solución de problemas: La eficacia luminosa y la vida útil de los chips LED de alta potencia dependen en gran medida de la temperatura de funcionamiento. Por cada 10 °C de aumento de la temperatura, la vida útil puede reducirse a la mitad. Los sustratos metálicos y los envases de plástico tradicionales no pueden disipar eficazmente el calor, lo que limita la mejora de la luminosidad de los LED y el desarrollo de la tecnología mini/micro LED.
Manifestación de la aplicación: El sustrato cerámico de nitruro de aluminio se ha convertido en el material de sustrato preferido para envases integrados COB (Chip on Board) de gama alta y dispositivos LED de alta potencia debido a sus características de aislamiento y alta conductividad térmica. Puede:
Disipan rápidamente el calor, lo que permite a los LED funcionar a corrientes más altas y alcanzar una mayor luminosidad.
Proporcionan una excelente protección del aislamiento para garantizar la seguridad del circuito.
La adaptación del coeficiente de dilatación lineal al chip reduce el estrés térmico y mejora la fiabilidad del embalaje.

3、 En el campo de la electrónica de potencia y los vehículos de nueva energía: el "radiador" para la conversión de energía.
Resolución de problemas: Los módulos IGBT y SiC (carburo de silicio) de alta potencia se utilizan ampliamente en el sistema de accionamiento eléctrico, el cargador de a bordo (OBC) y el convertidor de CC-CC (CC-CC) de los vehículos de nueva energía. Estos módulos tienen una alta frecuencia de conmutación, grandes pérdidas y una generación de calor extremadamente severa. Una mala disipación del calor afecta directamente al rendimiento general y a la autonomía del vehículo.
Manifestación de la aplicación: La cerámica de nitruro de aluminio se utiliza como capa aislante cerámica del sustrato DCB (Direct Copper Bonded), directamente recubierto de cobre, convirtiéndose en el componente central de los módulos de potencia. Ha desempeñado un papel en:
Aislamiento eléctrico: aísla las virutas de alto potencial de los sustratos metálicos.
Eficaz conductividad térmica: Transfiere rápidamente el calor del chip al sistema de refrigeración (por agua o por aire).
Transporte de corriente: la capa de cobre de la superficie puede grabar circuitos de precisión y transportar corrientes elevadas.
Los módulos que utilizan sustratos DBC de nitruro de aluminio tienen mayor densidad de potencia, menor tamaño y mayor fiabilidad, lo que los convierte en materiales ideales para las futuras plataformas de alta tensión de 800 V y la tecnología SiC.

4、 Ámbitos aeroespacial y de defensa: Opciones fiables para entornos extremos
Resolución de problemas: Los sistemas electrónicos de naves espaciales, misiles, radares y otros equipos deben funcionar de forma estable en condiciones extremas, como altas temperaturas, humedad elevada, vibraciones intensas y radiaciones intensas, con requisitos extremadamente exigentes para el rendimiento global de los materiales.
Manifestación de aplicación:
Módulo T/R de radar: se utiliza para empaquetar el módulo de transmisión/recepción del radar phased array, proporcionando disipación térmica y protección.
Sistema de guiado de misiles: Como sustrato y carcasa de los dispositivos electrónicos, puede soportar el calor aerodinámico y las vibraciones generadas por el vuelo a alta velocidad.
Sensores aeroespaciales: Utilizando su estabilidad a altas temperaturas para fabricar carcasas de sensores de presión y temperatura a altas temperaturas.

5、 Otros sectores industriales
Industria metalúrgica: Se utilizan como crisoles y tubos protectores para fundir metales como aluminio, cobre, plata, etc. Gracias a sus propiedades no humectantes y resistentes a la corrosión, pueden obtenerse metales de gran pureza.
Industria del tratamiento térmico: Como material de sinterización y tratamiento térmico para placas de cojinetes, placas de empuje, carriles guía, etc., es resistente a las altas temperaturas, al choque térmico y tiene una vida útil mucho más larga que otros materiales.
Entorno corrosivo: Se utiliza para fabricar juntas y componentes de bombas y válvulas químicas, resistentes a la corrosión de medios como ácidos y álcalis.

La cerámica de nitruro de aluminio, como material avanzado estratégico clave, ha promovido directamente el desarrollo de campos tecnológicos de vanguardia como los semiconductores, la comunicación 5G, los vehículos de nueva energía y la inteligencia artificial a través de sus aplicaciones. Con los requisitos cada vez más estrictos para la disipación de calor y la fiabilidad en estas industrias, la amplitud y profundidad de aplicación de la cerámica de nitruro de aluminio continuará expandiéndose, convirtiéndose en un material de piedra angular indispensable para la fabricación de gama alta.

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