Lastra circolare in ceramica di nitruro di alluminio ad alta conducibilità termica

Nel contesto dello sviluppo integrato e ad alta potenza dei dispositivi elettronici, la dissipazione del calore è diventata un collo di bottiglia fondamentale che limita il miglioramento delle prestazioni. In quanto materiale emergente per la gestione termica, l'alta conducibilità termica nitruro di alluminio (AlN) hanno mostrato ampie prospettive di applicazione nei semiconduttori di potenza, nell'illuminazione a LED, nelle comunicazioni 5G e in altri campi grazie alla loro eccellente conduttività termica, al buon isolamento elettrico e alla stabilità meccanica.

Meccanismo di conducibilità termica e proprietà dei materiali della ceramica di nitruro di alluminio
Struttura cristallina e meccanismo di conducibilità termica
Il nitruro di alluminio ha una struttura esagonale wurtzite, dove Al ³ ⁺ e N ³ - formano tetraedri [AlN ₄] attraverso legami covalenti. La sua conducibilità termica teorica può raggiungere i 320 W/(m - K), mentre il prodotto reale può raggiungere i 180-230 W/(m - K). L'elevata conducibilità termica deriva dall'efficiente conduzione dei fononi (vibrazioni reticolari), con un cammino libero medio vicino al livello del micrometro, superando di gran lunga il meccanismo di conducibilità termica elettronica dei metalli.
Vantaggi principali dei materiali
Conducibilità termica: 5-8 volte superiore a quella dell'ossido di alluminio (Al ₂ O ∝), vicina a quella dell'ossido di berillio (BeO), ma non tossica ed ecologica;
Isolamento elettrico: Resistività di volume>10 ¹⁴Ω- cm, adatta a scenari di isolamento elettrico ad alta tensione;
Coefficiente di dilatazione termica: è compatibile con il silicio (Si) e l'arseniuro di gallio (GaAs) (4,5-5,5 ppm/℃), ridurre lo stress termico;
Resistenza meccanica: Resistenza alla flessione>300 MPa, adatta alla progettazione sottile.
Punti chiave della progettazione di piastre circolari
Diametro e spessore: La dimensione convenzionale è 10-200mm, lo spessore è 0,2-5mm, sostenendo personalizzato elaborazione;
Trattamento superficiale: metallizzazione (doratura, ramatura), foratura o scanalatura al laser per migliorare l'efficienza della saldatura o della dissipazione del calore;
Planarità: La rugosità superficiale Ra<0,5 μ m garantisce una resistenza termica minima dell'interfaccia.

Processo di preparazione e tecnologie chiave
Sintesi della polvere
Utilizzando il metodo di riduzione termica del carbonio o la sintesi autopropagante ad alta temperatura (SHS), l'attività di sinterizzazione viene garantita controllando la purezza della materia prima (fonte Al ≥ 99,5%), la distribuzione delle dimensioni delle particelle (D50<1 μ m) e il contenuto di ossigeno (<500ppm).
Tecnologia di formatura
Stampaggio per colata: adatto a lastre sottili con spessore ≤ 0,5 mm, per ottenere corpi verdi ad alta densità ottimizzando la viscosità dell'impasto e dei disperdenti (come il PVP);
Formatura a pressione isostatica: Combinando stampaggio e pressatura isostatica a freddo (CIP), l'uniformità della densità raggiunge ± 0,5%;
Stampaggio a iniezione: Stampaggio integrato di strutture complesse, adatto alla produzione di massa.
processo di agglomerazione
Sinterizzazione a pressione atmosferica: aggiunta di coadiuvanti di sinterizzazione come Y ₂ O3 e CaO, sinterizzazione a 1800-1900 ℃ in atmosfera N ₂ per promuovere la crescita dei grani;
Sinterizzazione con pressatura a caldo (HP): la densificazione può essere ottenuta a 1700 ℃ con assistenza alla pressione, con dimensioni dei grani<2 μ m, migliorando la conduttività termica;
Controllo dell'atmosfera: Per sopprimere l'ossidazione e la decomposizione dell'AlN viene utilizzato un gas misto dinamico N ₂/H ₂.
Tecnologia di post-elaborazione
Taglio laser: zona interessata dal calore<50 μ m, collasso del bordo ≤ 10 μ m;
Lucidatura chimica: trattamento acido misto HF/HNO3, la rugosità della superficie raggiunge Ra<0,1 μ m;
Processo di metallizzazione: Deposizione per sputtering magnetronico o per elettrodeposizione di uno strato di Cu/Au, con uno spessore controllabile di 1-10 μm.

Come nuova generazione di materiali per la gestione termica, i vantaggi prestazionali di un'elevata conduttività termica lastre circolari in ceramica di nitruro di alluminio stanno diventando sempre più importanti nel processo ad alta densità dei dispositivi elettronici. Grazie alla progettazione dei materiali, all'ottimizzazione dei processi e all'innovazione collaborativa interdisciplinare, si prevede che in futuro svolgerà un ruolo maggiore in campi strategici come i veicoli a nuova energia, l'intelligenza artificiale e l'aerospazio, diventando un rompicapo fondamentale per risolvere il "collo di bottiglia caldo".