Feuille circulaire en céramique de nitrure d'aluminium à haute conductivité thermique

Dans le contexte du développement intégré et à haute puissance des appareils électroniques, la dissipation de la chaleur est devenue un goulot d'étranglement essentiel qui limite l'amélioration des performances. En tant que matériau de gestion thermique émergent, la conductivité thermique élevée nitrure d'aluminium (AlN) ont montré de vastes perspectives d'application dans les semi-conducteurs de puissance, l'éclairage LED, la communication 5G et d'autres domaines en raison de leur excellente conductivité thermique, de leur bonne isolation électrique et de leur stabilité mécanique.

Mécanisme de conductivité thermique et propriétés matérielles des céramiques de nitrure d'aluminium
Structure cristalline et mécanisme de conductivité thermique
Le nitrure d'aluminium a une structure hexagonale wurtzite, où Al ³ ⁺ et N ³ - forment des tétraèdres [AlN ₄] par le biais de liaisons covalentes. Sa conductivité thermique théorique peut atteindre 320 W/(m - K), et le produit réel peut atteindre 180-230 W/(m - K). La conductivité thermique élevée provient de la conduction efficace des phonons (vibrations du réseau), avec un libre parcours moyen proche du micromètre, dépassant de loin le mécanisme de conductivité thermique électronique des métaux.
Avantages fondamentaux des matériaux
Conductivité thermique : 5 à 8 fois supérieure à celle de l'oxyde d'aluminium (Al ₂ O ∝), proche de celle de l'oxyde de béryllium (BeO), mais non toxique et respectueuse de l'environnement ;
Isolation électrique : Résistivité volumique>10 ¹⁴Ω- cm, adaptée aux scénarios d'isolation électrique à haute tension ;
Coefficient de dilatation thermique : adapté au silicium (Si) et à l'arséniure de gallium (GaAs) (4,5-5,5 ppm/℃), la réduction du stress thermique ;
Résistance mécanique : Résistance à la flexion>300 MPa, adaptée à une conception fine.
Points clés de la conception des plaques circulaires
Diamètre et épaisseur : La taille conventionnelle est de 10 à 200 mm, l'épaisseur est de 0,2 à 5 mm et peut être personnalisée. traitement ;
Traitement de surface : métallisation (dorure, cuivrage), perçage ou rainurage au laser pour améliorer l'efficacité du soudage ou de la dissipation de la chaleur ;
Planéité : La rugosité de surface Ra<0,5 μ m assure une résistance thermique minimale de l'interface.

Processus de préparation et technologies clés
Synthèse des poudres
En utilisant la méthode de réduction thermique du carbone ou la synthèse à haute température autopropagée (SHS), l'activité de frittage est assurée en contrôlant la pureté de la matière première (source Al ≥ 99,5%), la distribution de la taille des particules (D50<1 μ m) et la teneur en oxygène (<500ppm).
Technologie de formage
Moulage par coulée : convient aux feuilles minces d'une épaisseur ≤ 0,5 mm, permettant d'obtenir des corps verts de haute densité en optimisant la viscosité de la suspension et des dispersants (tels que le PVP) ;
Formation par pression isostatique : En combinant le moulage et le pressage isostatique à froid (CIP), l'uniformité de la densité atteint ± 0,5% ;
Moulage par injection : Moulage intégré de structures complexes, adapté à la production de masse.
processus d'agglomération
Frittage sous pression atmosphérique : ajout d'adjuvants de frittage tels que Y ₂ O3 et CaO, frittage à 1800-1900 ℃ dans une atmosphère N ₂ pour favoriser la croissance des grains ;
Frittage par pressage à chaud (HP) : la densification peut être réalisée à 1700 ℃ sous assistance de pression, avec une taille de grain<2 μ m, améliorant la conductivité thermique ;
Contrôle de l'atmosphère : Un gaz mixte dynamique N ₂/H ₂ est utilisé pour supprimer l'oxydation et la décomposition de l'AlN.
Technologie de post-traitement
Découpe au laser : zone affectée thermiquement<50 μ m, effondrement des bords ≤ 10 μ m ;
Polissage chimique : traitement acide mixte HF/HNO3, la rugosité de surface atteint Ra<0,1 μ m ;
Processus de métallisation : Dépôt par pulvérisation magnétron ou par électrodéposition d'une couche de Cu/Au, d'une épaisseur contrôlable de 1 à 10 μ m.

En tant que nouvelle génération de matériaux de gestion thermique, les avantages de performance d'une conductivité thermique élevée feuilles circulaires en céramique de nitrure d'aluminium occupent une place de plus en plus importante dans le processus à haute densité des appareils électroniques. Grâce à la conception des matériaux, à l'optimisation des processus et à l'innovation collaborative interdisciplinaire, elle devrait jouer un rôle plus important dans des domaines stratégiques tels que les véhicules à énergie nouvelle, l'intelligence artificielle et l'aérospatiale à l'avenir, devenant ainsi une énigme clé pour résoudre le "goulot d'étranglement chaud".