Por qué modificar el polvo de nitruro de aluminio

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Nitruro de aluminio (AlN), como material cerámico avanzado emergente, se ha ganado la reputación de “material estrella conductor térmico” en los campos de la electrónica, la optoelectrónica, la industria aeroespacial, etc., debido a su excelente conductividad térmica (valor teórico de hasta 320 W/m · K), su fiable aislamiento eléctrico y su bajo coeficiente de expansión térmica, similar al del silicio. Sin embargo, muchos usuarios suelen encontrarse con problemas como la difícil dispersión, la fácil hidrólisis y la mala adhesión al sustrato cuando utilizan directamente polvo de nitruro de aluminio sin procesar. La clave de esto radica en los defectos inherentes a las propiedades superficiales del polvo de nitruro de aluminio sin modificar.

Pregunta fundamental: ¿Por qué es necesario modificar el polvo “primitivo” de nitruro de aluminio?
La superficie del polvo de nitruro de aluminio “primitivo” tiene una alta polaridad y es rica en grupos hidroxilo de aluminio, lo que plantea tres retos fundamentales:

1. Altamente hidrolizado: El polvo de nitruro de aluminio es extremadamente sensible a las moléculas de agua y reacciona con el agua para producir hidróxido de aluminio y gas amoniaco. Esto no solo cambia la composición química del polvo y reduce la conductividad térmica de su cuerpo sinterizado final, sino que también genera burbujas durante el procesamiento, lo que provoca fallos en la densificación del producto y defectos.
2. Mala dispersabilidad: Una alta energía superficial puede provocar una fuerte tendencia a la aglomeración entre las partículas de polvo, lo que dificulta su dispersión uniforme en disolventes orgánicos o resinas poliméricas (como la resina epoxi y la silicona). Los agregados se convertirán en un “obstáculo” para la conductividad térmica, lo que limitará seriamente la mejora de la conductividad térmica de los materiales compuestos.
3. Compatibilidad deficiente con la matriz: Existe una diferencia significativa en las propiedades físicas y químicas entre la superficie del polvo polar y la matriz polimérica orgánica no polar, lo que da lugar a una unión interfacial débil. Esto no solo afecta a la conductividad térmica, sino que también se convierte en un punto débil en el rendimiento mecánico, lo que puede provocar fácilmente grietas y desprendimientos.
   Sin modificaciones, el excelente potencial del nitruro de aluminio se verá muy reducido, e incluso podría llegar a ser inutilizable.

Solución: ¿Cómo puede la modificación de superficies “convertir la piedra en oro”?
La tecnología de modificación de superficies es la solución fundamental a los problemas mencionados anteriormente, mediante el recubrimiento o injerto de una capa de moléculas modificadoras en la superficie de las partículas de polvo de nitruro de aluminio a través de métodos físicos o químicos.
Objetivo de la modificación:
Mejora la resistencia a la hidrólisis: aísla el contacto directo entre el polvo y la humedad.
Mejora la dispersabilidad: reduce la energía superficial, disminuye las fuerzas entre partículas y logra una dispersión estable y uniforme.
Mejorar la unión de la interfaz: construir un “puente molecular” entre el polvo y la matriz para reforzar la adhesión de la interfaz.
Métodos de modificación comunes:
Modificación del agente de acoplamiento: como el agente de acoplamiento de silano, el agente de acoplamiento de titanato, etc., es una de las tecnologías más habituales y eficaces.
Recubrimiento superficial: Recubrimiento con óxidos inorgánicos (como SiO2) o polímeros orgánicos.
Modificación in situ: La modificación de la superficie se lleva a cabo directamente durante el proceso de preparación del polvo.

Ventajas y aplicaciones del producto: Valor aportado por el polvo de nitruro de aluminio modificado.
El valor del polvo de nitruro de aluminio modificado se refleja perfectamente en el producto final.

1. Aplicación en gel de alta conductividad térmica/junta de conductividad térmica
   Problema resuelto: Se ha resuelto el difícil problema de la sedimentación, la aglomeración y el rápido aumento de la viscosidad del polvo en el sistema de aceite de silicona/caucho de silicona.
   Ventajas del producto:
   Alto poder de relleno y baja viscosidad: el polvo modificado tiene una buena dispersabilidad y puede alcanzar una mayor proporción de relleno (>70%), al tiempo que mantiene una buena fluidez y operatividad del sistema, lo que facilita la dispensación y la producción automatizada.
   Duplicación de la conductividad térmica: la dispersión uniforme elimina el cuello de botella de la resistencia térmica, y la conductividad térmica supera fácilmente los 5-15 W/m · K, superando con creces al sistema de alúmina.
   Buena estabilidad: evita la degradación del rendimiento y los riesgos de corrosión del dispositivo causados por la hidrólisis.
2. Aplicación en sellador plástico epoxi de alta conductividad térmica.
   Problema resuelto: se ha mejorado la humectabilidad entre el polvo y la resina epoxi, lo que evita la formación de huecos en la interfaz.
   Ventajas del producto:
   Excelente conductividad térmica y aislamiento: proporciona vías eficientes de disipación del calor y una protección aislante fiable para semiconductores de potencia (como IGBT) y chips LED.
   Alta resistencia y baja tensión: la fuerte fuerza de unión de la interfaz mejora la resistencia mecánica del paquete y reduce la tensión interna causada por el desajuste de la expansión térmica, lo que mejora la fiabilidad del dispositivo.
3. Aplicación en cerámicas estructurales de alta temperatura
   Problema resuelto: mejora de la actividad de sinterización y reducción de la temperatura de sinterización.
   Ventajas del producto:
   Alta densificación: los polvos modificados tienen buena fluidez, alta densidad de llenado y son más fáciles de sinterizar en sustratos cerámicos o componentes estructurales cercanos a la densidad teórica, obteniendo así una alta conductividad térmica cercana a los valores teóricos.
   Rendimiento estable: la excelente resistencia a la hidrólisis garantiza la estabilidad del tratamiento del polvo antes de la sinterización, lo que mejora considerablemente el rendimiento de los productos acabados.

Caso real de un cliente (anónimo)
Cliente A: Un conocido fabricante de módulos de potencia tuvo problemas con la viscosidad inestable y la presencia de microburbujas en el interior tras el curado al utilizar nitruro de aluminio sin modificar para preparar el sellador epoxi.
Nuestra solución: proporcionamos un modelo específico de polvo de nitruro de aluminio modificado con agente de acoplamiento de silano para ello.
Efecto: El polvo tiene una excelente dispersabilidad en resina epoxi, con una estabilidad de viscosidad aumentada en más de 50%. Después del curado, el producto es denso y libre de defectos, con un aumento de la conductividad térmica de aproximadamente 25%. El rendimiento del producto del cliente ha mejorado significativamente.
Cliente B: Una empresa de materiales de interfaz termoconductores de alta gama desea desarrollar un gel termoconductor con una conductividad térmica superior a 10 W/m · K, pero se enfrenta al obstáculo técnico del aumento considerable de la viscosidad con un alto contenido de polvo.
Nuestra solución: Recomendamos nuestro polvo de nitruro de aluminio recubierto con polímero orgánico, que tiene una energía superficial extremadamente baja y un excelente efecto de impedimento estérico.
Efecto: El cliente logró con éxito un alto volumen de llenado de 78%, con una conductividad térmica de 12,5 W/m · K, al tiempo que mantuvo una buena fluidez y rendimiento de construcción, y superó con éxito la certificación del cliente final.

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