Aluminiumnitrid (AlN) Einkristallfilter 1 um

Da sich elektronische Produkte und ihre Komponenten immer weiter in Richtung Miniaturisierung und Hochintegration weiterentwickeln, ist die Wärmeableitung zu einer zentralen Herausforderung für die Weiterentwicklung der elektronischen Technologie geworden. In diesem Zusammenhang haben thermische Schnittstellenmaterialien und andere wärmeleitende Verbundmaterialien beispiellose Aufmerksamkeit erhalten. Diese Materialien bestehen typischerweise aus organischen Substanzen und wärmeleitenden Füllstoffen. Da organische Materialien im Allgemeinen eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die üblicherweise unter 5 W/m·K liegt, hängt die Wärmeleitfähigkeit wärmeleitender Verbundwerkstoffe hauptsächlich von der Wahl der leitfähigen Füllstoffe ab.

Die am häufigsten verwendeten leitfähigen Füllstoffe auf dem Markt sind Oxide wie Al2O3. Allerdings beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid selbst nur 38–42 W/m·K, was die Fähigkeit zur Herstellung wärmeleitender Verbundwerkstoffe einschränkt, die den zukünftigen Anforderungen des Marktes für Wärmeableitungsmaterialien gerecht werden können.

Im Vergleich zu Oxiden wie Al2O3 weist AlN (Aluminiumnitrid) offensichtliche Vorteile auf. Seine theoretische Wärmeleitfähigkeit erreicht 320 W/m·K und liegt damit weit über der von Al2O3. Darüber hinaus hat AlN auch einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, hervorragende Isolationseigenschaften, eine niedrige Dielektrizitätskonstante und einen mit Silizium vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Aus diesen Gründen hat sich die Verwendung von AlN-Pulver als Rohmaterial zur Herstellung wärmeleitender Verbundwerkstoffe in den letzten Jahren zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt.

Die Partikelgröße von Aluminiumnitrid beeinflusst maßgeblich die Wärmeleitfähigkeit von Polymerverbundwerkstoffen. Insbesondere haben größere Aluminiumnitrid-Füllstoffe eine kleinere spezifische Oberfläche, wodurch die Fläche der Grenzschicht verringert und der Wärmegrenzflächenwiderstand verringert wird, was theoretisch die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials verbessert. Andererseits sorgen kleinere Partikelgrößen für eine höhere Packungsdichte, was zur Reduzierung von Hohlräumen beiträgt und somit die Wärmeleitfähigkeit verbessert.

Ist es also besser, größere oder kleinere Partikelgrößen zu verwenden? Tatsächlich wirken sich sowohl zu große als auch zu kleine Partikelgrößen nachteilig auf die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit aus. Große Partikelfüllstoffe können aufgrund ihrer geringen Packungsdichte und ungleichmäßigen Verteilung tatsächlich die Wärmeleitfähigkeit verringern. Kleinere Partikelfüllstoffe können die Anzahl der Grenzflächen erhöhen, was zu einem höheren Wärmewiderstand führt, und sie können leicht aggregieren, was die Viskosität des Systems erhöht und dadurch sowohl die mechanischen als auch die thermischen Eigenschaften des Polymers beeinflusst.

Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher eine wirksame Lösung vorgeschlagen: die Verwendung einer Kombination verschiedener Partikelgrößen. Durch das Mischen von Aluminiumnitridpartikeln unterschiedlicher Größe in das Matrixmaterial können große Partikel die Hauptwärmeleitungspfade bilden, während kleine Partikel die Lücken zwischen den größeren Partikeln füllen können, wodurch ein komplexeres wärmeleitendes Netzwerk entsteht und die Wärmeleitfähigkeit weiter verbessert wird Verbundwerkstoff.