Dúas principais áreas de aplicación da cerámica de nitruro de aluminio en vehículos de nova enerxía

Co rápido avance da tecnoloxía microelectrónica, os sistemas e compoñentes electrónicos están a avanzar cara á miniaturización, Lixeiro deseño, integración, maior fiabilidade e maior potencia de saída. A crecente complexidade dos dispositivos impón maiores esixencias na disipación de calor dos substratos e materiais de envasado. En consecuencia, os substratos de nitruro de aluminio (AlN), coñecidos pola súa alta condutividade térmica, convertéronse nun "material estrela" no campo dos substratos de disipación de calor. No sector dos vehículos de nova enerxía, poden incluso substituír os substratos de óxido de aluminio, o que demostra amplas perspectivas de aplicación.

01 Aplicación do nitruro de aluminio en vehículos de nova enerxía

Substratos cerámicos de AlN para IGBT
En medio da onda de "catro novas modernizacións" nos vehículos de novas enerxías, a demanda de módulos IGBT de alta tensión e alta potencia é cada vez máis urxente. Os módulos IGBT de alta tensión e alta potencia enfróntanse a altas barreiras técnicas e desafíos significativos, o que require materiais de empaquetado con excelente disipación de calor, alta fiabilidade e maior capacidade de carga de corrente. Os substratos cerámicos revestidos de cobre, coa súa excepcional condutividade térmica, convertéronse en materiais clave indispensables no empaquetado de módulos de potencia para o sector da electrónica de potencia.

substrato cerámico revestido de cobre
Fonte: Fuluowa

En comparación cos substratos cerámicos de Al₂O₃ e Si₃N₄, os substratos cerámicos de AlN ofrecen as seguintes vantaxes: o uso de substratos cerámicos de AlN como portador do chip illá o chip da placa base de disipación de calor do módulo. A capa cerámica intermedia de AlN mellora eficazmente a capacidade de illamento do módulo (tensión de resistencia do illamento da capa cerámica >2,5 kV). Ademais, os substratos cerámicos de nitruro de aluminio presentan unha excelente condutividade térmica, cun coeficiente de condutividade térmica que oscila entre 170 e 260 W/m·K. Estas propiedades superiores fan que os substratos revestidos de cobre de nitruro de aluminio sexan a opción preferida para o empaquetado de módulos IGBT de alta tensión.

Ademais, os substratos cerámicos de AlN teñen un coeficiente de expansión térmica similar ao do silicio, o que evita danos por tensión no chip. A resistencia ao pelado dos substratos cerámicos de nitruro de aluminio supera os 20 N/mm², o que ofrece excelentes propiedades mecánicas, resistencia á corrosión e unha deformación mínima. Pódense usar nun amplo rango de temperaturas, o que mellora a fiabilidade dos módulos IGBT de alta tensión.

Nitruro de aluminio para faros LED
A temperatura de funcionamento dos faros LED para automóbiles é extremadamente alta. Se a calor non se pode disipar rapidamente, acelerarase a atenuación do brillo. Nestes casos, o rendemento do substrato de disipación de calor do LED tórnase fundamental. Os substratos cerámicos de nitruro de aluminio, coa súa alta condutividade térmica, excelente illamento e coeficiente de expansión térmica mellor adaptado aos chips LED, son unha opción ideal para faros de alta potencia. Ademais, as aplicacións dos substratos cerámicos de nitruro de aluminio nos automóbiles van máis alá dos faros, incluíndo varios sensores e módulos de alta potencia para vehículos intelixentes, o que indica un futuro moi prometedor.

Fonte: pixabay

02 A clave para a cerámica de AlN de alto rendemento reside na preparación do po
As tecnoloxías de preparación de po de nitruro de aluminio pódense clasificar en nitridación directa, redución carbotérmica, síntese autopropagante a alta temperatura (SHS), métodos de plasma, deposición química de vapor, métodos de solución e moenda de bolas de alta enerxía.

Métodos comúns para a preparación de po de nitruro de aluminio
Entre estes, a redución carbotérmica domina, representando case o 50 %, seguida da nitridación directa e os métodos de autopropagación cun 26 % e un 12 %, respectivamente. Estes tres métodos tamén acadaron aplicación a escala industrial. Son relativamente maduros, requiren equipos máis sinxelos e producen produtos de alta pureza. Non obstante, as formulacións e os pasos implicados nestes procesos son complexos, o consumo de enerxía é elevado e existen certos riscos de seguridade, todos os cales limitan a aplicación comercial a grande escala do nitruro de aluminio.

Existe unha brecha entre a tecnoloxía nacional de preparación de po de nitruro de aluminio e os estándares internacionais en termos de alta calidade, tanto en calidade como en estabilidade. Actualmente, o mercado global de po de nitruro de aluminio está abastecido principalmente por empresas como a xaponesa Tokuyama (que posúe o 75 % da cota de mercado global de po de AlN de alta pureza), Toyo Aluminium, a alemá Starck e a estadounidense DOW Chemical, cunha pureza do produto que alcanza o 99,9 %. A nivel nacional, hai moi poucas empresas capaces de producir en masa pos formulados de alta calidade (actualmente, dúas empresas entraron na fase de introdución de pos formulados).

03 Desenvolvemento rápido da industria nacional de ANL cun potencial significativo de substitución de importacións
Co desenvolvemento das industrias de semicondutores e novas enerxías, hai unha crecente demanda de disipación de calor no empaquetado de chips electrónicos de alta potencia, chips ópticos, etc. Os substratos cerámicos están a evolucionar desde o óxido de aluminio cara ao nitruro de aluminio e nitruro de silicioAínda que as empresas nacionais teñen actualmente unha cota de mercado relativamente baixa, isto indica un potencial significativo para a substitución de importacións no futuro.

Actualmente, a produción mundial de substratos de nitruro de aluminio está dominado por uns poucos fabricantes, sendo o Xapón o maior exportador. Entre os principais fabricantes inclúense Maruwa e Kyocera. A fabricación de substratos de nitruro de aluminio require fornos de sinterización de alta temperatura, que inicialmente tiñan que importarse do Xapón a un custo de ata 6 millóns de RMB por unidade. Non foi ata 2015 que se lograron avances tecnolóxicos nacionais. Hoxe en día, xurdiron varias empresas nacionais con capacidades de produción de substratos de nitruro de aluminio a grande escala, con empresas líderes que alcanzan capacidades superiores a 500.000 pezas ao mes, achegándose gradualmente ao nivel de Maruwa, no Xapón. Coa mellora continua da capacidade de produción de substratos de nitruro de aluminio de alta calidade, espérase que cambie a dependencia a longo prazo dos substratos cerámicos de alto rendemento importados.

O tamaño actual do mercado de substratos cerámicos de nitruro de aluminio é de aproximadamente mil millóns de RMB. De 2019 a 2022, a taxa de crecemento anual composta do mercado nacional de substratos cerámicos de nitruro de aluminio superou o 20 %. Co rápido desenvolvemento de sectores posteriores, como circuítos integrados a grande escala, IGBT, comunicacións por microondas, electrónica automotriz e detección de imaxes, xunto coa crecente potencia dos dispositivos electrónicos, o ámbito de aplicación do nitruro de aluminio ampliarase aínda máis. Segundo os expertos do sector, espérase que a taxa de crecemento do mercado de substratos cerámicos de nitruro de aluminio se manteña por riba do 20 % nos próximos anos. A esta taxa de crecemento, proxéctase que o tamaño do mercado de substratos cerámicos de nitruro de aluminio alcance os 2 mil millóns de RMB en 2026.