Зачем модифицировать порошок нитрида алюминия

---

Нитрид алюминия (AlN), как новый передовой керамический материал, завоевал репутацию “звездного материала с высокой теплопроводностью” в области электроники, оптоэлектроники, аэрокосмической промышленности и т. д. благодаря своей превосходной теплопроводности (теоретическое значение до 320 Вт/м · К), надежной электрической изоляции и низкому коэффициенту теплового расширения, соответствующему кремнию. Однако многие пользователи часто сталкиваются с такими проблемами, как трудность диспергирования, легкая гидролизация и плохая адгезия к подложке при непосредственном использовании сырого порошка нитрида алюминия. Причина этого кроется в неотъемлемых дефектах поверхностных свойств немодифицированного порошка нитрида алюминия.

Основной вопрос: почему “примитивный” порошок нитрида алюминия необходимо модифицировать?
Поверхность “примитивного” порошка нитрида алюминия обладает высокой полярностью и богата гидроксильными группами алюминия, что приводит к трем основным проблемам:

1. Высокогидролизованный: Порошок нитрида алюминия чрезвычайно чувствителен к молекулам воды и вступает с ней в реакцию, образуя гидроксид алюминия и аммиак. Это не только изменяет химический состав порошка, снижает теплопроводность конечного спеченного тела, но и приводит к образованию пузырьков во время обработки, что приводит к нарушению уплотнения продукта и появлению дефектов.
2. Плохая диспергируемость: Высокая поверхностная энергия может вызывать сильную склонность к агломерации между частицами порошка, что затрудняет его равномерное распределение в органических растворителях или полимерных смолах (таких как эпоксидная смола и силикон). Агрегаты станут “препятствием” для теплопроводности, серьезно ограничивая улучшение теплопроводности композиционных материалов.
3. Плохая совместимость с матрицей: Существует значительная разница в физических и химических свойствах между полярной поверхностью порошка и неполярной органической полимерной матрицей, что приводит к слабой межфазной связи. Это не только влияет на теплопроводность, но и становится слабым звеном в механических характеристиках, что может легко привести к растрескиванию и отслоению.
   Без модификации превосходный потенциал нитрида алюминия будет значительно снижен, и он может даже стать непригодным для использования.

Решение: Как модификация поверхности может “превратить камень в золото”?
Технология модификации поверхности является фундаментальным решением вышеупомянутых проблем путем нанесения или прививки слоя молекул модификатора на поверхность частиц алюминиевого нитрида с помощью физических или химических методов.
Цель модификации:
Повышение устойчивости к гидролизу: исключить прямой контакт порошка с влагой.
Улучшение диспергируемости: снижение поверхностной энергии, уменьшение межчастичных сил и достижение стабильной и однородной дисперсии.
Улучшение сцепления интерфейса: создание “молекулярного моста” между порошком и матрицей для усиления адгезии интерфейса.
Распространенные методы модификации:
Модификация связующего агента: например, силановый связующий агент, титанатный связующий агент и т. д., является одной из наиболее распространенных и эффективных технологий.
Покрытие поверхности: покрытие неорганическими оксидами (такими как SiO2) или органическими полимерами.
Модификация на месте: Модификация поверхности осуществляется непосредственно в процессе подготовки порошка.

Преимущества и области применения продукта: Ценность, приносимая модифицированным порошком нитрида алюминия
Ценность модифицированного порошка нитрида алюминия прекрасно отражена в конечном продукте.

1. Применение в геле с высокой теплопроводностью/прокладке с высокой теплопроводностью
   Проблема решена: решена сложная проблема осаждения, агломерации и быстрого увеличения вязкости порошка в системе силиконовое масло/силиконовый каучук.
   Преимущества продукта:
   Высокая наполняемость и низкая вязкость: модифицированный порошок обладает хорошей диспергируемостью и позволяет достичь более высокой степени наполнения (>70%), сохраняя при этом хорошую текучесть и работоспособность системы, что облегчает дозирование и автоматизацию производства.
   Удвоение теплопроводности: равномерное распределение устраняет узкое место теплового сопротивления, и теплопроводность легко превышает 5-15 Вт/м·К, что намного превосходит систему на основе оксида алюминия.
   Хорошая стабильность: предотвращает снижение производительности и риск коррозии устройства, вызванные гидролизом.
2. Применение в эпоксидном пластиковом герметике с высокой теплопроводностью
   Проблема решена: улучшена смачиваемость между порошком и эпоксидной смолой, что предотвращает образование пустот на границе раздела.
   Преимущества продукта:
   Отличная теплопроводность и изоляция: обеспечивает эффективные пути отвода тепла и надежную изоляционную защиту для силовых полупроводников (таких как IGBT) и светодиодных чипов.
   Высокая прочность и низкое напряжение: сильная сила сцепления интерфейса повышает механическую прочность корпуса и снижает внутреннее напряжение, вызванное несовпадением теплового расширения, что повышает надежность устройства.
3. Применение в высокотемпературной конструкционной керамике
   Проблема решена: улучшена активность спекания и снижена температура спекания.
   Преимущества продукта:
   Высокая уплотненность: модифицированные порошки обладают хорошей сыпучестью, высокой плотностью заполнения и легче спекаются в керамические подложки или структурные компоненты, близкие к теоретической плотности, благодаря чему достигается высокая теплопроводность, близкая к теоретическим значениям.
   Стабильная производительность: отличная стойкость к гидролизу обеспечивает стабильность обработки порошка перед спеканием, что значительно повышает выход готовой продукции.

Реальный случай с клиентом (анонимный)
Клиент A: Известный производитель силовых модулей столкнулся с проблемами нестабильной вязкости и появлением микропузырьков внутри после отверждения при использовании немодифицированного нитрида алюминия для приготовления эпоксидного герметика.
Наше решение: мы предоставляем для этого специальную модель порошка нитрида алюминия, модифицированного силановым связующим агентом.
Эффект: Порошок обладает отличной диспергируемостью в эпоксидной смоле, а стабильность вязкости повышается более чем на 50%. После отверждения продукт становится плотным и не содержит дефектов, а теплопроводность повышается примерно на 25%. Выход продукции заказчика значительно улучшился.
Клиент B: Компания, производящая высококачественные теплопроводящие интерфейсные материалы, надеется разработать теплопроводящий гель с теплопроводностью более 10 Вт/м·К, но сталкивается с технической проблемой резкого увеличения вязкости при высокой концентрации порошка.
Наше решение: мы рекомендуем наш порошок нитрида алюминия с органическим полимерным покрытием, который обладает чрезвычайно низкой поверхностной энергией и превосходным эффектом стерического препятствия.
Результат: Заказчик успешно достиг высокого объема заполнения 78% с теплопроводностью 12,5 Вт/м · К, сохранив при этом хорошую текучесть и строительные характеристики, и успешно прошел сертификацию конечного заказчика.

Керамика Brudeze поставляет и продает широкий ассортимент высококачественного кварцевого стекла, включая глиноземистую керамику, циркониевую керамику, керамику из нитрида кремния, керамику из нитрида алюминия, керамику из карбида кремния, керамику из карбида бора, биокерамику, обрабатываемую керамику и т.д. Мы можем удовлетворить требования заказчика к различным керамическим изделиям.