Керамический круглый лист из нитрида алюминия с высокой теплопроводностью

В контексте мощных и интегрированных разработок электронных устройств отвод тепла стал ключевым узким местом, ограничивающим повышение производительности. В качестве нового материала для терморегулирования высокая теплопроводность нитрид алюминия (AlN) керамические круглые листы показали широкие перспективы применения в силовых полупроводниках, светодиодном освещении, связи 5G и других областях благодаря своей отличной теплопроводности, хорошей электроизоляции и механической стабильности.

Механизм теплопроводности и свойства материалов керамики из нитрида алюминия
Кристаллическая структура и механизм теплопроводности
Нитрид алюминия имеет гексагональную вюрцитную структуру, где Al ³ ⁺ и N ³ - образуют [AlN ₄] тетраэдры через ковалентные связи. Его теоретическая теплопроводность может достигать 320 Вт/(м - К), а фактическая - 180-230 Вт/(м - К). Высокая теплопроводность обусловлена эффективной проводимостью фононов (колебаний решетки), средний свободный путь которых близок к микрометру, что значительно превосходит электронный механизм теплопроводности металлов.
Основные преимущества материалов
Теплопроводность: в 5-8 раз выше, чем у оксида алюминия (Al ₂ O ∝), близка к оксиду бериллия (BeO), но нетоксична и экологически безопасна;
Электрическая изоляция: Объемное удельное сопротивление>10 ¹⁴Ω- см, подходит для высоковольтных сценариев электрической изоляции;
Коэффициент теплового расширения: соответствует кремнию (Si) и арсениду галлия (GaAs) (4,5-5,5 ppm/℃), снижение теплового напряжения;
Механическая прочность: Прочность на изгиб>300 МПа, подходит для тонких конструкций.
Ключевые моменты конструкции круглых пластин
Диаметр и толщина: Обычный размер 10-200 мм, толщина 0,2-5 мм, поддержка индивидуального подхода обработка;
Обработка поверхности: металлизация (золотое покрытие, медное покрытие), лазерное сверление или рифление для повышения эффективности сварки или теплоотвода;
Плоскостность: Шероховатость поверхности Ra<0,5 мкм обеспечивает минимальное тепловое сопротивление интерфейса.

Процесс подготовки и ключевые технологии
Синтез порошков
При использовании метода термического восстановления углерода или самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) активность спекания обеспечивается за счет контроля чистоты сырья (исходный Al ≥ 99,5%), распределения частиц по размерам (D50<1 мкм) и содержания кислорода (<500ppm).
Технология формования
Литьевое формование: подходит для тонких листов толщиной ≤ 0,5 мм, позволяет получить зеленые тела высокой плотности за счет оптимизации вязкости суспензии и диспергаторов (например, PVP);
Изостатическое прессование: Комбинируя формование и холодное изостатическое прессование (CIP), однородность плотности достигает ± 0,5%;
Литье под давлением: Комплексное формование сложных конструкций, пригодных для массового производства.
процесс агломерации
Спекание при атмосферном давлении: добавление вспомогательных веществ для спекания, таких как Y₂ O3 и CaO, спекание при 1800-1900 ℃ в атмосфере N₂ для содействия росту зерна;
Спекание горячим прессованием (HP): уплотнение может быть достигнуто при 1700 ℃ под давлением, с размером зерна < 2 мкм, улучшая теплопроводность;
Контроль атмосферы: Динамический N ₂/H ₂ смешанный газ используется для подавления окисления и разложения AlN.
Технология постобработки
Лазерная резка: зона термического влияния <50 мкм, разрушение кромок ≤ 10 мкм;
Химическая полировка: обработка смешанной кислотой HF/HNO3, шероховатость поверхности достигает Ra<0,1 мкм;
Процесс металлизации: Магнетронное напыление или гальваническое осаждение слоя Cu/Au, с контролируемой толщиной 1-10 мкм.

Как новое поколение терморегулирующих материалов, они обладают такими преимуществами, как высокая теплопроводность керамические круглые листы из нитрида алюминия становятся все более заметными в процессе производства электронных устройств высокой плотности. Благодаря разработке материалов, оптимизации процессов и совместным междисциплинарным инновациям, ожидается, что в будущем они будут играть все большую роль в таких стратегических областях, как новые энергетические транспортные средства, искусственный интеллект и аэрокосмическая промышленность, став ключевой головоломкой для решения проблемы "горячего узкого места".