Почему нитрид алюминия (AlN) доминирует по производительности, но его доля на рынке составляет менее 30% (часть I)

В современной промышленностиaпродвинутый керамические материалы играют важную роль благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. Среди керамики на основе алюминия нитрид алюминия (AlN) и оксид алюминия (Al₂O₃) являются двумя высоко ценимыми материалами, однако их рыночные позиции существенно различаются: Al₂O₃ доминирует в основной массе, в то время как AlN имеет скорость проникновения менее 30%. Почему превосходный AlN не смог заменить Al₂O₃? В этой статье мы рассмотрим научную логику и промышленные реалии, стоящие за этим явлением.

1. «Жесткие» преимущества нитрида алюминия

Теплопроводность: сокрушительное физическое различие
Теплопроводность AlN (170–200 Вт/(м·К)) в 7–10 раз выше, чем у Al₂O₃ (20–30 Вт/(м·К)).

Этот разрыв обусловлен различиями в их кристаллических структурах:

Кристаллическая структура AlN: Нитрид алюминия относится к гексагональной кристаллической системе, где атомы алюминия и азота соединены прочными ковалентными связями, образуя плотное атомное расположение. Эта структура имеет не только высокую энергию связи, но и минимальное сопротивление колебаниям решетки (фононам), что обеспечивает высокоэффективную теплопроводность.

Ограничения Al₂O₃: В кристаллической структуре оксида алюминия (α-Al₂O₃, структура корунда) атомы кислорода занимают большее пространство, а ионные связи между атомами алюминия и кислорода вызывают сильное рассеяние колебаний решетки, затрудняя передачу тепла.

Это свойство делает керамика из нитрида алюминия (AlN) предпочтительный высокая теплопроводность подложка для рассеивания тепла мощная электроника, Базовые станции 5G, РЧ устройства, Упаковка светодиодов, и силовые модули, предлагая превосходные управление температурным режимом и электрическая изоляция для продвинутых полупроводниковые приложения. Например, АlN рассеивание тепла субстраты может снизить температуру кристалла более чем на 30%, значительно продлевая срок службы устройства.

Эффективность изоляции: «Защитник» в условиях высоких температур и экстремальных условий

Диэлектрическая проницаемость AlN (8,8) ниже, чем у Al₂O₃ (9,8), а его стабильность сопротивления изоляции выше при высоких температурах (>500°C) или в условиях высокой влажности. Это связано с сильной ковалентностью его химических связей и низкой частотой дефектов кислородных вакансий. В аэрокосмической промышленности, модулях аккумуляторов электромобилей и подобных сценариях AlN может предотвращать угрозы безопасности, вызванные частичными разрядами.

Химическая стабильность: двойная защита от коррозии и радиации

AlN демонстрирует гораздо большую коррозионную стойкость к расплавленным металлам (например, алюминию, меди), чем Al₂O₃, а его кристаллическая структура менее восприимчива к повреждениям в условиях высокой радиации (например, в ядерной промышленности). Например, после ядерной катастрофы на Фукусиме в Японии AlN был включен в список ключевых материалов для исследований радиационной стойкости.

2. Уровень проникновения ниже 30%: двойная дилемма технологии и рынка для AlN

Производственный процесс: переход через «Долину смерти» между лабораторией и массовым производством
Индустриализация AlN началась как битва с физическими ограничениями. Процесс его синтеза требует температур выше 1800°C в атмосфере азота, при чистоте алюминиевого порошка более 99,99%. Любые следовые примеси кислорода (более 0,1%) могут привести к образованию примесных фаз AlON, действующих как «термические мины» в кристалле и вызывающих внезапное падение теплопроводности на 30%.

Этап спекания еще более сложен — обычное спекание без давления с трудом достигает уплотнения. Если используется горячее изостатическое прессование (HIP), стоимость оборудования резко возрастает; если добавляются добавки для спекания, такие как Y₂O₃, температуру можно снизить, но внутри материала образуются частицы второй фазы, препятствующие передаче фононов.

Напротив, производство Al₂O₃ — это зрелая промышленная симфония. Его сырьевые материалы недороги, окно процесса широкое, а традиционное спекание ниже 1500°C дает плотную керамику, при этом себестоимость производства составляет всего 1/3-1/2 Производство AlN. Это «сокрушительное» преимущество в стоимости позволяет Al₂O₃ лидировать в гонке индустриализации.

В секторах, чувствительных к затратам, таких как производство бытовой электроники, недостатки Нитрид алюминия для электроники (AlN) еще более выражены. Для радиаторы для смартфонов, Растворы Al₂O₃ стоят всего 0,3–0,5 за штуку, в то время как AlN — даже если цена снижена до 0,3–0,5 за штуку,в то время как AlN—даже если цена снижена до 2 — сталкивается с обвинениями в «излишней инженерии». Этот разрыв между стоимостью и производительностью ограничивает AlN узкоспециализированными рынками высокого класса.

О Сямыне Технология Juci Ко., Лтд.

Сямэнь Технология Juci Ко., Лтд. является высокотехнологичным предприятием, специализирующимся на исследовании, разработке, производстве и продаже высокопроизводительных керамических материалов. Компания стремится предоставлять высококачественные продукты и решения из серии нитрида алюминия для таких отраслей, как электроника, полупроводники и аэрокосмическая промышленность, заслужив широкое доверие клиентов своим исключительным качеством и обслуживанием.

Контакт для СМИ:
Сямэнь Технология Juci Ко., Лтд.

Телефон: +86 592 7080230
Электронная почта: miki_huang@chinajuci.com
Веб-сайт: www.jucialnglobal.com