Quali sono i metodi di preparazione della polvere di nitruro di alluminio?

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Nitruro di alluminio (AlN), un nuovo tipo di materiale ceramico dalle eccellenti prestazioni, è stato ampiamente utilizzato in settori quali l'elettronica, l'energia, l'aerospaziale, ecc. grazie alla sua elevata conducibilità termica, al buon isolamento elettrico, al basso coefficiente di espansione termica abbinato al silicio e alle eccellenti proprietà meccaniche. E tutte queste eccellenti prestazioni hanno origine dalla loro fonte: la polvere di nitruro di alluminio di alta qualità.

I principali metodi di preparazione della polvere di nitruro di alluminio
Esistono vari metodi per preparare la polvere di nitruro di alluminio, tra cui principalmente la nitrurazione diretta, la riduzione termica del carbonio, la sintesi auto-propagante ad alta temperatura e la deposizione chimica da vapore. Le polveri prodotte con metodi diversi presentano vantaggi e svantaggi in termini di purezza, dimensione delle particelle, morfologia e costo.

1. Metodo di nitrurazione diretta
   Principio: la polvere di alluminio ad alta purezza viene fatta reagire direttamente con azoto o ammoniaca ad alte temperature (800~1500 °C) per formare nitruro di alluminio.
   Equazione di reazione: 2Al+N ₂ → 2AlN
   Vantaggi: processo semplice, facile reperibilità delle materie prime, costo relativamente basso, adatto alla produzione industriale su larga scala.
   Svantaggi: la reazione è fortemente esotermica, difficile da controllare e può facilmente causare la fusione e l'agglomerazione della polvere di alluminio, con conseguente ampia distribuzione granulometrica e grave agglomerazione del prodotto. Richiede una frantumazione e una macinazione prolungate, che possono introdurre impurità.
2. Metodo di riduzione termica del carbonio
   Principio: utilizzando ossido di alluminio (Al ₂ O3) e polvere di carbonio (C) come materie prime, il nitruro di alluminio viene preparato mediante riduzione del carbonio dell'ossido di alluminio e nitrurazione simultanea in atmosfera di azoto ad alta temperatura (1400-1800 °C).
   Equazione di reazione: Al ₂ O ∝+3C+N ₂ → 2AlN+3CO
   Vantaggi: consente di ottenere polveri sferiche o quasi sferiche con elevata purezza, granulometria uniforme e buona attività di sinterizzazione. Attualmente è il metodo più diffuso per la preparazione di polvere di nitruro di alluminio ad alte prestazioni sia a livello nazionale che internazionale.
   Svantaggi: temperatura di reazione elevata, elevato consumo energetico, requisiti rigorosi di controllo del processo e rimozione del carbonio residuo sono le sfide principali.
3. Metodo di sintesi ad alta temperatura auto-propagante (SHS)
   Principio: sfruttando l'enorme calore rilasciato dalla reazione tra la polvere di alluminio e l'azoto gassoso, la reazione è autosufficiente sotto forma di un'onda di combustione, sintetizzando istantaneamente il nitruro di alluminio.
   Vantaggi: consumo energetico estremamente basso, velocità di reazione elevata ed elevata efficienza produttiva.
   Svantaggi: il processo di reazione è intenso, il prodotto presenta molti pori e una bassa purezza, inoltre è necessaria un'ulteriore lavorazione per ottenere una polvere fine, rendendo difficile il controllo della stabilità dei lotti.
4. Deposizione chimica da vapore (CVD) e altri metodi avanzati
   Principio: utilizzando precursori gassosi contenenti alluminio e azoto (come AlCl3 e NH3), si verificano reazioni chimiche in fase gassosa ad alte temperature, con conseguente condensazione di polvere di nitruro di alluminio ultrafine e di elevata purezza sulla superficie o nello spazio del substrato.
   Vantaggi: la polvere presenta un grado di purezza estremamente elevato, particelle di piccole dimensioni e distribuzione ristretta, nonché una morfologia controllabile.
   Svantaggi: attrezzature costose, tecnologia complessa, bassa produttività, costi elevati, utilizzate principalmente nella ricerca di laboratorio o in settori con requisiti speciali per le polveri.

Perché la polvere di nitruro di alluminio di alta qualità è fondamentale: applicazioni, vantaggi e soluzioni
Indipendentemente dal metodo utilizzato, l'obiettivo finale è quello di ottenere polveri “qualificate” in grado di soddisfare le esigenze delle applicazioni a valle.
Principali aree di applicazione:
Materiali per l'imballaggio elettronico e la gestione termica: Questo è il più grande mercato di applicazione per il nitruro di alluminio. Utilizzato per la produzione di substrati ceramici ad alta conducibilità termica, fogli isolanti, dissipatori di calore, ecc., ampiamente utilizzato in LED ad alta potenza, moduli IGBT, dispositivi RF 5G, laser, ecc., responsabile della rapida dissipazione del calore generato dai chip per garantire il funzionamento stabile delle apparecchiature.
Componenti ceramici strutturali: sfruttando la loro elevata durezza, resistenza alla corrosione e resistenza alle alte temperature per produrre crogioli, parti resistenti all'usura, ecc.
Fase di rinforzo con materiale composito: aggiunto come fase di rinforzo alla matrice metallica, polimerica o ceramica per migliorare la conducibilità termica e le proprietà meccaniche del materiale della matrice.
Vantaggi del prodotto e problemi risolti:
Elevata conducibilità termica (risoluzione del problema della dissipazione del calore): Il valore teorico della conducibilità termica della ceramica al nitruro di alluminio è pari a 320 W/(m · K), ovvero 8-10 volte superiore a quello dell'ossido di alluminio. È in grado di risolvere efficacemente il “problema della gestione termica” causato dallo sviluppo dei moderni dispositivi elettronici verso la miniaturizzazione e l'alta potenza.
Isolamento elettrico affidabile (che garantisce la sicurezza dei circuiti): Mentre dissipa efficacemente il calore, il mantenimento di un buon isolamento elettrico garantisce la sicurezza e la stabilità del sistema circuitale.
Coefficiente di espansione termica corrispondente (riduzione dello stress termico): Il suo coefficiente di espansione termica (4,5 × 10 ⁻⁶/° C) è molto simile a quello del silicio (3,5 × 10 ⁻⁶/° C), il che può ridurre significativamente lo stress termico tra il chip e il substrato e migliorare l'affidabilità dell'imballaggio.

Caso reale di un cliente (anonimo)
Contesto del caso: un noto produttore di semiconduttori di potenza non era in grado di migliorare ulteriormente la densità di potenza dei moduli IGBT per i veicoli elettrici di nuova generazione a causa della limitata capacità di dissipazione del calore dei tradizionali substrati in allumina.
Problema riscontrato: sono state testate diverse polveri di alluminio nitruro di azoto, ma la conducibilità termica non soddisfaceva gli standard dopo la sinterizzazione oppure si formavano crepe durante la fusione a causa della scarsa consistenza della polvere, con conseguente basso tasso di rendimento.
La nostra soluzione: consigliamo polvere di nitruro di alluminio ad alta purezza e distribuzione ristretta con dimensione delle particelle D50 pari a 1,0 μm e forniamo suggerimenti relativi agli ausili di sinterizzazione corrispondenti.
Risultato ottenuto: dopo aver utilizzato la nostra polvere, il cliente è riuscito a preparare substrati ceramici con una conducibilità termica superiore a 180 W/(m · K). La densità di potenza dei moduli IGBT è aumentata di oltre 30% e la resa produttiva è rimasta stabile a oltre 95%, il che ha fortemente sostenuto il lancio dei loro nuovi prodotti.

Dalla nitrurazione diretta alla riduzione termica precisa del carbonio, il processo di preparazione della polvere di nitruro di alluminio è in continua evoluzione verso l'alta purezza, la grana fine e il basso costo. La scelta di un fornitore di polveri con una tecnologia avanzata e una qualità stabile è la chiave per superare i colli di bottiglia nelle prestazioni dei prodotti e vincere la concorrenza sul mercato.

Ceramica Brudeze fornisce e vende un'ampia gamma di vetri di quarzo di alta qualità, tra cui ceramica di allumina, ceramica di zirconia, ceramica di nitruro di silicio, ceramica di nitruro di alluminio, ceramica di carburo di silicio, ceramica di carburo di boro, bioceramica, ceramica lavorabile, ecc. Siamo in grado di soddisfare le esigenze di personalizzazione di vari prodotti ceramici.