Perché modificare la polvere di nitruro di alluminio

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Nitruro di alluminio (AlN), in quanto materiale ceramico avanzato emergente, si è guadagnato la reputazione di “materiale termoconduttivo di punta” nei settori dell'elettronica, dell'optoelettronica, dell'aerospaziale, ecc. grazie alla sua eccellente conducibilità termica (valore teorico fino a 320 W/m · K), all'affidabile isolamento elettrico e al basso coefficiente di espansione termica abbinato al silicio. Tuttavia, molti utenti spesso incontrano problemi quali difficile dispersione, facile idrolisi e scarsa adesione al substrato quando utilizzano direttamente la polvere di nitruro di alluminio grezza. La chiave di tutto ciò risiede nei difetti intrinseci delle proprietà superficiali della polvere di nitruro di alluminio non modificata.

Domanda fondamentale: perché la polvere di nitruro di alluminio “primitiva” deve essere modificata?
La superficie della polvere di nitruro di alluminio “primitivo” presenta un'elevata polarità ed è ricca di gruppi idrossilici di alluminio, il che comporta tre sfide fondamentali:

1. Altamente idrolizzato: La polvere di nitruro di alluminio è estremamente sensibile alle molecole d'acqua e reagisce con l'acqua producendo idrossido di alluminio e gas ammoniaca. Ciò non solo modifica la composizione chimica della polvere e riduce la conducibilità termica del corpo sinterizzato finale, ma genera anche bolle durante la lavorazione, causando il fallimento della densificazione del prodotto e difetti.
2. Scarsa dispersibilità: Un'elevata energia superficiale può causare una forte tendenza all'agglomerazione tra le particelle di polvere, rendendo difficile la dispersione uniforme in solventi organici o resine polimeriche (come resina epossidica e silicone). Gli aggregati diventeranno un “ostacolo” per la conducibilità termica, limitando seriamente il miglioramento della conducibilità termica dei materiali compositi.
3. Scarsa compatibilità con la matrice: Esiste una differenza significativa nelle proprietà fisiche e chimiche tra la superficie polare della polvere e la matrice polimerica organica non polare, con conseguente debole legame interfacciale. Ciò non solo influisce sulla conducibilità termica, ma diventa anche un punto debole nelle prestazioni meccaniche, che può facilmente portare a crepe e distacco.
   Senza modifiche, l'eccellente potenziale del nitruro di alluminio sarà notevolmente ridotto e potrebbe persino diventare inutilizzabile.

Soluzione: in che modo la modifica superficiale può “trasformare la pietra in oro”?
La tecnologia di modifica superficiale è la soluzione fondamentale ai problemi sopra citati, mediante il rivestimento o l'innesto di uno strato di molecole modificatrici sulla superficie delle particelle di polvere di nitruro di alluminio attraverso metodi fisici o chimici.
Obiettivo della modifica:
Migliora la resistenza all'idrolisi: isola il contatto diretto tra la polvere e l'umidità.
Migliorare la dispersibilità: ridurre l'energia superficiale, diminuire le forze interparticellari e ottenere una dispersione stabile e uniforme.
Migliorare l'adesione dell'interfaccia: costruire un “ponte molecolare” tra la polvere e la matrice per rafforzare l'adesione dell'interfaccia.
Metodi di modifica comuni:
Modifica dell'agente di accoppiamento: come l'agente di accoppiamento silanico, l'agente di accoppiamento titanato, ecc., è una delle tecnologie più diffuse ed efficaci.
Rivestimento superficiale: rivestimento con ossidi inorganici (come SiO2) o polimeri organici.
Modifica in situ: la modifica della superficie viene effettuata direttamente durante il processo di preparazione della polvere.

Vantaggi e applicazioni del prodotto: valore aggiunto apportato dalla polvere di nitruro di alluminio modificato
Il valore della polvere di nitruro di alluminio modificata si riflette perfettamente nel prodotto finale.

1. Applicazione in gel ad alta conducibilità termica/guarnizione termoconduttiva
   Problema risolto: risolto il difficile problema della sedimentazione, dell'agglomerazione e del rapido aumento della viscosità della polvere nel sistema olio siliconico/gomma siliconica.
   Vantaggi del prodotto:
   Elevato riempimento e bassa viscosità: la polvere modificata ha una buona dispersibilità e può raggiungere una percentuale di riempimento più elevata (>70%), mantenendo al contempo una buona fluidità e operatività del sistema, facilitando l'erogazione e la produzione automatizzata.
   Raddoppio della conducibilità termica: la dispersione uniforme elimina il collo di bottiglia della resistenza termica e la conducibilità termica supera facilmente i 5-15 W/m · K, superando di gran lunga il sistema allumina.
   Buona stabilità: evita il degrado delle prestazioni e i rischi di corrosione dei dispositivi causati dall'idrolisi.
2. Applicazione in sigillante plastico epossidico ad alta conducibilità termica
   Problema risolto: migliorata la bagnabilità tra la polvere e la resina epossidica, impedendo la formazione di vuoti nell'interfaccia.
   Vantaggi del prodotto:
   Eccellente conduttività termica e isolamento: garantisce efficienti percorsi di dissipazione del calore e un'affidabile protezione isolante per i semiconduttori di potenza (come IGBT) e i chip LED.
   Elevata resistenza e basso stress: la forte forza di adesione dell'interfaccia migliora la resistenza meccanica della confezione e riduce lo stress interno causato dal disallineamento dell'espansione termica, migliorando l'affidabilità del dispositivo.
3. Applicazione nella ceramica strutturale ad alta temperatura
   Problema risolto: attività di sinterizzazione migliorata e temperatura di sinterizzazione ridotta.
   Vantaggi del prodotto:
   Elevata densificazione: le polveri modificate hanno una buona fluidità, un'elevata densità di riempimento e sono più facili da sinterizzare su substrati ceramici o componenti strutturali vicini alla densità teorica, ottenendo così un'elevata conducibilità termica vicina ai valori teorici.
   Prestazioni stabili: l'eccellente resistenza all'idrolisi garantisce la stabilità del trattamento della polvere prima della sinterizzazione, migliorando notevolmente la resa dei prodotti finiti.

Caso reale di un cliente (anonimo)
Cliente A: Un noto produttore di moduli di potenza ha riscontrato problemi di viscosità instabile e microbolle all'interno dopo l'indurimento quando utilizzava nitruro di alluminio non modificato per preparare il sigillante epossidico.
La nostra soluzione: forniamo un modello specifico di polvere di nitruro di alluminio modificata con agente di accoppiamento silanico.
Effetto: la polvere presenta un'eccellente dispersibilità nella resina epossidica, con una stabilità della viscosità aumentata di oltre 50%. Dopo l'indurimento, il prodotto è denso e privo di difetti, con un aumento della conducibilità termica di circa 25%. La resa del prodotto del cliente è stata notevolmente migliorata.
Cliente B: Un'azienda produttrice di materiali di interfaccia termoconduttivi di alta gamma desidera sviluppare un gel termoconduttivo con una conducibilità termica superiore a 10 W/m · K, ma si trova ad affrontare il problema tecnico dell'aumento repentino della viscosità in caso di elevato riempimento di polvere.
La nostra soluzione: consigliamo la nostra polvere di nitruro di alluminio rivestita con polimero organico, che presenta un'energia superficiale estremamente bassa e un eccellente effetto di impedimento sterico.
Effetto: il cliente ha ottenuto con successo un elevato volume di riempimento di 78%, con una conducibilità termica di 12,5 W/m · K, mantenendo comunque una buona fluidità e prestazioni costruttive, e ha superato con successo la certificazione del cliente finale.

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.