Quelles sont les propriétés de conductivité thermique et de dissipation de la chaleur des céramiques de nitrure d'aluminium ?

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1、 Caractéristiques de conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium
Les céramiques de nitrure d'aluminium (AlN) ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur excellente conductivité thermique. Sa conductivité thermique théorique peut atteindre 320 W/(m - K), alors que la conductivité thermique des produits commerciaux actuels est généralement comprise entre 170 W/(m - K) et 260 W/(m - K). Cette conductivité thermique élevée est principalement due à sa structure cristalline unique et à sa faible masse atomique, qui lui permettent de conduire efficacement la chaleur.

Comparée à d'autres matériaux céramiques courants, la conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium est beaucoup plus élevée que celle des céramiques d'oxyde d'aluminium (Al ₂ O3, avec une conductivité thermique d'environ 20-30 W/(m - K)) et des céramiques de nitrure de silicium (Si ∝ N ₄, avec une conductivité thermique généralement inférieure à 150 W/(m - K)). En outre, la conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium est moins affectée par la température, en particulier au-dessus de 200 ℃, et sa stabilité de conductivité thermique est meilleure que celle de matériaux tels que l'oxyde de béryllium (BeO).

2、 Facteurs influençant la conductivité thermique
Bien que les céramiques de nitrure d'aluminium aient une conductivité thermique théorique élevée, la conductivité thermique des produits réels est souvent limitée par divers facteurs :

1. Teneur en oxygène : Le nitrure d'aluminium a une forte affinité pour l'oxygène, et les impuretés d'oxygène peuvent facilement se diffuser dans le réseau d'AlN pendant le frittage, formant des lacunes d'aluminium et provoquant des défauts de réseau, réduisant ainsi de manière significative la conductivité thermique.
2. Densité : Plus la densité d'un matériau est élevée, plus sa conductivité thermique est importante. Le choix du processus de frittage et des additifs de frittage a un impact significatif sur la densité et la conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium.
3. Pureté de la poudre : la poudre de nitrure d'aluminium de haute pureté (avec une teneur en oxygène inférieure à 1%) est la clé de la préparation de céramiques à haute conductivité thermique. La taille des particules et la microstructure de la poudre affectent également la conductivité thermique du produit final.
4. Microstructure : Les facteurs de microstructure tels que la taille des grains, le nombre et la répartition des joints de grains peuvent également affecter la conductivité thermique.

3、 Dissipation de la chaleur
La conductivité thermique élevée des céramiques de nitrure d'aluminium les rend excellentes pour les applications de dissipation de la chaleur, car elles peuvent transférer rapidement la chaleur des zones à haute température vers les zones à basse température, réduisant ainsi efficacement la température de fonctionnement des appareils électroniques. Ses principales caractéristiques de dissipation de la chaleur sont les suivantes :

1. Faible coefficient de dilatation thermique : Le coefficient de dilatation thermique des céramiques de nitrure d'aluminium varie de 3,2 × 10 -⁶/℃ à 4,6 × 10 -⁶/℃, ce qui est hautement compatible avec les matériaux semi-conducteurs tels que les puces de silicium (3,0 × 10 -⁶/℃) et l'arséniure de gallium (5,8 × 10 -⁶/℃), réduisant efficacement la fissuration de l'interface causée par le stress thermique.
2. Stabilité à haute température : Les céramiques de nitrure d'aluminium peuvent conserver leur intégrité structurelle dans des environnements à haute température (tels que les essais de choc thermique à 400 ℃ et l'environnement aérobie à 1000 ℃), ce qui les rend adaptées aux applications qui nécessitent des cycles thermiques fréquents.
3. Performance d'isolation : Les céramiques de nitrure d'aluminium ont de bonnes propriétés d'isolation électrique, avec une résistivité à température ambiante supérieure à 10 ¹⁶Ω- m, et peuvent être utilisées comme substrats d'isolation pour les appareils électroniques.

4、 Champs d'application
La conductivité thermique élevée et l'excellente capacité de dissipation de la chaleur des céramiques de nitrure d'aluminium font qu'elles sont largement utilisées dans de nombreux domaines de haute technologie :

1. Industrie électronique : Aluminum nitride ceramic substrates can be used to package high-power integrated circuits, insulated gate bipolar transistors (IGBT) and other power devices, which can significantly reduce chip junction temperature, improve device reliability and lifespan.
2. Industrie des semi-conducteurs : Les céramiques de nitrure d'aluminium peuvent être utilisées pour fabriquer des substrats d'emballage de semi-conducteurs, et leur coefficient de dilatation thermique correspond bien à celui des matériaux en silicium, ce qui permet de réduire les contraintes thermiques.
3. Aérospatiale : La résistance à la température et la conductivité thermique élevées des céramiques à base de nitrure d'aluminium les rendent adaptées à la dissipation de la chaleur dans les dispositifs électroniques à haute température dans le domaine aérospatial.
4. Électronique automobile : Dans le système de gestion de la batterie (BMS) des véhicules électriques, les dissipateurs thermiques en céramique de nitrure d'aluminium peuvent gérer efficacement la chaleur de la batterie et assurer un fonctionnement stable de la batterie dans différentes conditions de travail.

Céramiques à base de nitrure d'aluminium ont de vastes perspectives d'application dans les industries modernes de l'électronique et des semi-conducteurs en raison de leur excellente conductivité thermique et de leur capacité à dissiper la chaleur, et devraient jouer un rôle important dans d'autres domaines de haute technologie à l'avenir.

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