Wie kann die Wärmeleitfähigkeit von AlN erhöht werden?

Aluminiumnitrid (AlN)-Keramik Aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit werden AlN-Legierungen häufig in der Elektronikverpackung und zur Wärmeableitung eingesetzt. Verunreinigungen und Sinterbedingungen beeinträchtigen ihre Leistung jedoch erheblich. Dieser Artikel beschreibt wichtige Ansätze zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von AlN, darunter Pulverreinigung, Sinterhilfsmittel, Prozessoptimierung und verlängerte Sinterzeit.

(1) Kontrolle der Qualität des AlN-Pulvers und Reduzierung des Sauerstoffverunreinigungsgehalts

Verbesserung der Synthesemethode von AlN-Pulver Die Herstellung von hochreinem Pulver mit einer Partikelgröße unter 1 μm und einem Sauerstoffgehalt von 1 % ist Voraussetzung für die Herstellung von AlN-Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Zusätzlich kann bei AlN-Pulver mit Sinterhilfsmitteln die Zugabe einer geeigneten Menge Kohlenstoff die Oxide auf der AlN-Pulveroberfläche während des Sinterprozesses vor der Verdichtung reduzieren und karburieren und so die Wärmeleitfähigkeit der AlN-Keramiken verbessern. Aus dieser Perspektive könnte AlN-Pulver, das durch carbothermische Reduktion hergestellt wurde, die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken verbessern.

(2) Auswahl geeigneter Arten und Mengen von Sinteradditiven

Umfangreiche Forschungen haben gezeigt, dass Oxide und Fluoride von Seltenerdmetallen, Erdalkalimetallen usw. als Sinterhilfsmittel dienen können, um die Wärmeleitfähigkeit von AlN zu verbessern. Sinterhilfsmittel reagieren mit Aluminiumoxid in AlN und bilden flüssige Aluminatphasen, wodurch das Flüssigphasensintern und die Verdichtung des Grünkörpers erleichtert werden. Andererseits können Sinterhilfsmittel den Sauerstoffgehalt im AlN-Gitter senken und gleichzeitig den Kontakt zwischen den AlN-Partikeln verbessern, wodurch die Wärmeleitfähigkeit gesteigert wird. Die Menge der Additive muss jedoch angemessen sein – zu hohe Mengen erhöhen den Verunreinigungsgehalt und verschlechtern die Wärmeleitfähigkeit, während zu geringe Mengen keine effektiven Sinterhilfsmittel darstellen. Wie bereits erwähnt, haben neuere Studien gezeigt, dass zusammengesetzte Additive die Wärmeleitfähigkeit wirksamer verbessern und gleichzeitig die Sintertemperatur senken als einzelne Additive.

Die Wirksamkeit von Additiven zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit wurde durch zahlreiche Experimente bestätigt. Die Zugabe geeigneter Additive ist heute eine weit verbreitete Methode. Es gibt jedoch keine einheitliche Schlussfolgerung hinsichtlich der Auswahl und Kombination von Additiven, ihrer optimalen Mengen oder der Zugabemethoden, sodass weitere eingehende und systematische Untersuchungen erforderlich sind.

(3) Optimierung von Sinterprozessen

Bei AlN-Keramiken ist eine langsame Erwärmung während des Sinterns vorteilhafter als eine schnelle Erwärmung, da dadurch nicht nur die Verformung verringert, sondern auch die Verdichtung des Grünkörpers verbessert wird und somit die Leistung der AlN-Keramiken gesteigert wird.

Der Sinterprozess erfordert auch eine optimale Sintertemperatur. Ist die Temperatur zu hoch, kommt es zu übermäßigem Kornwachstum, die Korngrenzenphase nimmt zu und die Verdichtung nimmt ab, was sich negativ auf die Wärmeleitfähigkeit auswirkt.

Durch eine entsprechende Verlängerung der Sinterzeit kann das Kristallgitter weiter gereinigt, das Kornwachstum gefördert und die Porosität deutlich reduziert werden, wodurch die Wärmeleitfähigkeit erhöht wird.

Im Allgemeinen kann das Sintern in einer reduzierenden Atmosphäre unter Stickstoffschutz Sauerstoffverunreinigungen in AlN reduzieren durch carbothermische Nitrierung und Reduktion, was sich positiv auf die Wärmeleitfähigkeit auswirkt. Drucksintern verbessert die Sinterleistung von AlN deutlich und reduziert den Bedarf an Sinterhilfsmitteln. Erhöhter Druck verbessert die Verdichtung von AlN, was zu einer besseren Leistung von AlN-Keramiken beiträgt. Darüber hinaus beeinflusst das Pulverbettverfahren auch die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken.

(4) Verlängerung der Sinterzeit

Neben der Verwendung von Sinterhilfsmitteln und der Optimierung des Sinterprozesses kann auch eine Verlängerung der Sinterzeit die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken verbessern. Beispielsweise kann das Glühen in einer reduzierenden Atmosphäre Sauerstoff und Sekundärphasen aus AlN entfernen. Nakano et al. verwendeten eine ähnliche Methode und wärmebehandelten gesintertes AlN (mit Y₂O₃) in einer reduzierenden Stickstoffatmosphäre bei 1900 °C. Nach 20 Stunden erreichte die Wärmeleitfähigkeit 220 W/m·K und stieg nach 100 Stunden auf 272 W/m·K.

Über Xiamen Juci Technology

Juci Technology ist mit seinen hochreinen Rohstoffen, seiner Verbundadditivtechnologie, seinem präzisen Sinterprozess und seinen flexiblen Anpassungsmöglichkeiten eines der wenigen inländischen Unternehmen, das in der Lage ist, stabil in Massenproduktion zu produzieren AlN-Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit, besonders geeignet für die Anforderungen von High-End-Bereichen wie Hochleistungs-LEDs, IGBT-Modulen und der Luft- und Raumfahrt.

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