¿Cuáles son las propiedades de conductividad térmica y disipación de calor de las cerámicas de nitruro de aluminio?

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1、 Características de conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio
Las cerámicas de nitruro de aluminio (AlN) han atraído mucha atención debido a su excelente conductividad térmica. Su conductividad térmica teórica puede alcanzar los 320 W/(m - K), mientras que la conductividad térmica de los productos comerciales reales suele situarse entre 170 W/(m - K) y 260 W/(m - K). Esta elevada conductividad térmica se debe principalmente a su estructura cristalina única y a su baja masa atómica, que le permiten conducir eficazmente el calor.

En comparación con otros materiales cerámicos comunes, la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio es mucho mayor que la de la cerámica de óxido de aluminio (Al ₂ O3, con una conductividad térmica de unos 20-30 W/(m - K)) y la cerámica de nitruro de silicio (Si ∝ N ₄, con una conductividad térmica normalmente inferior a 150 W/(m - K)). Además, la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio se ve menos afectada por la temperatura, especialmente por encima de 200 ℃, y su estabilidad de conductividad térmica es mejor que la de materiales como el óxido de berilio (BeO).

2、 Factores que afectan a la conductividad térmica
Aunque las cerámicas de nitruro de aluminio tienen una conductividad térmica teórica elevada, la conductividad térmica en los productos reales suele estar limitada por diversos factores:

1. Contenido de oxígeno: El nitruro de aluminio tiene una fuerte afinidad por el oxígeno, y las impurezas de oxígeno pueden difundirse fácilmente en la red de AlN durante la sinterización, formando vacantes de aluminio y causando defectos en la red, reduciendo así significativamente la conductividad térmica.
2. La densidad: Cuanto mayor es la densidad de un material, mayor es su conductividad térmica. La selección del proceso de sinterización y de los aditivos de sinterización tiene un impacto significativo en la densidad y la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio.
3. Pureza del polvo: El polvo de nitruro de aluminio de alta pureza (con un contenido de oxígeno inferior a 1%) es la clave para preparar cerámicas de alta conductividad térmica. El tamaño de las partículas y la microestructura del polvo también afectan a la conductividad térmica del producto final.
4. Microestructura: Los factores de microestructura, como el tamaño de grano, el número y la distribución de los límites de grano, también pueden afectar a la conductividad térmica.

3、 Rendimiento de disipación del calor
La alta conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de aluminio las hace excelentes en aplicaciones de disipación de calor, ya que pueden transferir rápidamente el calor de las zonas de alta temperatura a las de baja temperatura, reduciendo eficazmente la temperatura de funcionamiento de los dispositivos electrónicos. Entre sus principales características de rendimiento en disipación de calor se incluyen:

1. Bajo coeficiente de dilatación térmica: El coeficiente de dilatación térmica de la cerámica de nitruro de aluminio oscila entre 3,2 × 10 -⁶/℃ y 4,6 × 10 -⁶/℃, lo que resulta muy compatible con materiales semiconductores como los chips de silicio (3,0 × 10 -⁶/℃) y el arseniuro de galio (5,8 × 10 -⁶/℃), reduciendo eficazmente las grietas en la interfaz causadas por la tensión térmica.
2. Estabilidad a altas temperaturas: La cerámica de nitruro de aluminio puede seguir manteniendo la integridad estructural en entornos de alta temperatura (como pruebas de choque térmico de 400 ℃ y entornos aeróbicos de 1000 ℃), lo que la hace adecuada para aplicaciones que requieren ciclos térmicos frecuentes.
3. Rendimiento del aislamiento: Las cerámicas de nitruro de aluminio tienen buenas propiedades de aislamiento eléctrico, con una resistividad a temperatura ambiente superior a 10 ¹⁶Ω- m, y pueden utilizarse como sustratos aislantes para dispositivos electrónicos.

4、 Campos de aplicación
La alta conductividad térmica y el excelente rendimiento de disipación térmica de las cerámicas de nitruro de aluminio hacen que se utilicen ampliamente en múltiples campos de alta tecnología:

1. Industria electrónica: Los sustratos cerámicos de nitruro de aluminio pueden utilizarse para empaquetar circuitos integrados de alta potencia, transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y otros dispositivos de potencia, lo que puede reducir significativamente la temperatura de unión de los chips y mejorar la fiabilidad y la vida útil de los dispositivos.
2. Industria de semiconductores: La cerámica de nitruro de aluminio puede utilizarse para fabricar sustratos de envasado de semiconductores, y su coeficiente de dilatación térmica coincide bien con el de los materiales de silicio, lo que puede reducir el estrés térmico.
3. Aeroespacial: La resistencia a altas temperaturas y la elevada conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de aluminio las hacen idóneas para la disipación de calor en dispositivos electrónicos de alta temperatura en el ámbito aeroespacial.
4. Electrónica del automóvil: En el sistema de gestión de baterías (BMS) de los vehículos eléctricos, los disipadores térmicos cerámicos de nitruro de aluminio pueden gestionar eficazmente el calor de la batería y garantizar un funcionamiento estable de la misma en diferentes condiciones de trabajo.

Cerámica de nitruro de aluminio tienen amplias perspectivas de aplicación en las modernas industrias electrónica y de semiconductores debido a su excelente conductividad térmica y rendimiento en la disipación del calor, y se espera que desempeñen un papel importante en más campos de alta tecnología en el futuro.

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