Quali sono le proprietà di conduzione termica e di dissipazione del calore delle ceramiche al nitruro di alluminio?

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1. Caratteristiche di conducibilità termica della ceramica di nitruro di alluminio
Le ceramiche a base di nitruro di alluminio (AlN) hanno attirato molta attenzione per la loro eccellente conducibilità termica. La sua conducibilità termica teorica può raggiungere i 320 W/(m - K), mentre la conducibilità termica dei prodotti commerciali attuali è generalmente compresa tra 170 W/(m - K) e 260 W/(m - K). Questa elevata conducibilità termica è dovuta principalmente alla sua struttura cristallina unica e alla sua bassa massa atomica, che le consente di condurre efficacemente il calore.

Rispetto ad altri materiali ceramici comuni, la conducibilità termica delle ceramiche al nitruro di alluminio è molto più elevata di quella delle ceramiche all'ossido di alluminio (Al ₂ O3, con una conducibilità termica di circa 20-30 W/(m - K)) e delle ceramiche al nitruro di silicio (Si ∝ N ₄, con una conducibilità termica solitamente inferiore a 150 W/(m - K)). Inoltre, la conducibilità termica della ceramica di nitruro di alluminio è meno influenzata dalla temperatura, soprattutto al di sopra dei 200 ℃, e la sua stabilità di conducibilità termica è migliore di quella di materiali come l'ossido di berillio (BeO).

2. Fattori che influenzano la conduttività termica
Sebbene le ceramiche al nitruro di alluminio abbiano un'elevata conduttività termica teorica, la conduttività termica nei prodotti reali è spesso limitata da vari fattori:

1. Contenuto di ossigeno: Il nitruro di alluminio ha una forte affinità per l'ossigeno e le impurità di ossigeno possono facilmente diffondersi nel reticolo di AlN durante la sinterizzazione, formando vacuità di alluminio e causando difetti del reticolo, riducendo così in modo significativo la conduttività termica.
2. Densità: Maggiore è la densità di un materiale, maggiore è la sua conducibilità termica. La scelta del processo di sinterizzazione e degli additivi di sinterizzazione ha un impatto significativo sulla densità e sulla conduttività termica delle ceramiche di nitruro di alluminio.
3. Purezza della polvere: la polvere di nitruro di alluminio di elevata purezza (con un contenuto di ossigeno inferiore a 1%) è la chiave per preparare ceramiche ad alta conducibilità termica. Anche la dimensione delle particelle e la microstruttura della polvere influiscono sulla conduttività termica del prodotto finale.
4. Microstruttura: Anche i fattori di microstruttura, come la dimensione dei grani, il numero e la distribuzione dei confini dei grani, possono influenzare la conduttività termica.

3. Prestazioni di dissipazione del calore
L'elevata conducibilità termica della ceramica di nitruro di alluminio la rende eccellente nelle applicazioni di dissipazione del calore, in quanto è in grado di trasferire rapidamente il calore da aree ad alta temperatura ad aree a bassa temperatura, riducendo efficacemente la temperatura di funzionamento dei dispositivi elettronici. Le sue principali caratteristiche di dissipazione del calore includono:

1. Basso coefficiente di espansione termica: Il coefficiente di espansione termica della ceramica di nitruro di alluminio varia da 3,2 × 10 -⁶/℃ a 4,6 × 10 -⁶/℃, altamente compatibile con i materiali semiconduttori come i chip di silicio (3,0 × 10 -⁶/℃) e l'arseniuro di gallio (5,8 × 10 -⁶/℃), riducendo efficacemente la fessurazione dell'interfaccia causata dallo stress termico.
2. Stabilità alle alte temperature: Le ceramiche al nitruro di alluminio sono in grado di mantenere l'integrità strutturale anche in ambienti ad alta temperatura (come i test di shock termico a 400 ℃ e l'ambiente aerobico a 1000 ℃), rendendole adatte ad applicazioni che richiedono frequenti cicli termici.
3. Prestazioni di isolamento: Le ceramiche di nitruro di alluminio hanno buone proprietà di isolamento elettrico, con una resistività a temperatura ambiente superiore a 10 ¹⁶Ω- m, e possono essere utilizzate come substrati isolanti per dispositivi elettronici.

4. Campi di applicazione
L'elevata conducibilità termica e le eccellenti prestazioni di dissipazione del calore delle ceramiche al nitruro di alluminio ne fanno un prodotto ampiamente utilizzato in diversi campi dell'alta tecnologia:

1. Industria elettronica: I substrati ceramici in nitruro di alluminio possono essere utilizzati per confezionare circuiti integrati ad alta potenza, transistor bipolari a gate isolato (IGBT) e altri dispositivi di potenza, riducendo in modo significativo la temperatura di giunzione del chip e migliorando l'affidabilità e la durata del dispositivo.
2. Industria dei semiconduttori: Le ceramiche al nitruro di alluminio possono essere utilizzate per produrre substrati per l'imballaggio dei semiconduttori e il loro coefficiente di espansione termica si adatta bene ai materiali in silicio, riducendo così lo stress termico.
3. Aerospaziale: La resistenza alle alte temperature e l'elevata conducibilità termica delle ceramiche al nitruro di alluminio le rendono adatte alla dissipazione del calore nei dispositivi elettronici ad alta temperatura nel settore aerospaziale.
4. Elettronica per autoveicoli: Nel sistema di gestione della batteria (BMS) dei veicoli elettrici, i dissipatori di calore in ceramica al nitruro di alluminio possono gestire efficacemente il calore della batteria e garantirne il funzionamento stabile in diverse condizioni di lavoro.

Ceramica al nitruro di alluminio hanno ampie prospettive di applicazione nelle moderne industrie dell'elettronica e dei semiconduttori, grazie alla loro eccellente conducibilità termica e alle prestazioni di dissipazione del calore, e si prevede che in futuro svolgeranno un ruolo importante in altri settori ad alta tecnologia.

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