સારો ઉષ્મીય વાહકતાવાળો એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ સેરામિક ભાગ, AlN સેરામિક હીટ શન્ટ

એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (AlN) માત્ર એક અકાર્બનિક સામગ્રી જ નથી, પરંતુ ઇલેક્ટ્રોનિક પેકેજિંગ અને સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશન્સમાં મુખ્ય સામગ્રી તરીકે પણ ગણવામાં આવે છે. તેની સહસંયોજક બંધો દ્વારા પ્રભાવિત ક્રિસ્ટલ રચના તેને ષટ્કોણીય હીરા-જેવો નાઇટ્રાઇડ બનાવે છે અને તે વિશાળ બેન્ડગેપ (6.2 eV) અને મહત્વપૂર્ણ એક્સાઇટોન બંધન ઊર્જા દર્શાવે છે, જેના કારણે તે એક સીધો બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર છે. એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડની ઉષ્મા વાહકતા લગભગ 320 W/m જેટલી ઊંચી હોય છે. ·K, BeO અને SiC જેવું જ, અને Al2O3 કરતાં વધુ પાંચ ગણું. સાથે સાથે, તેનો ઉષ્મીય પ્રસારણ ગુણાંક સિલિકોન અને ગેલિયમ આર્સેનાઇડ સાથે સુસંગત છે, જે ઇલેક્ટ્રોનિક પેકેજિંગના ક્ષેત્રમાં તેની એપ્લિકેશન સંભાવનાઓને વધારે છે. ઉપરાંત, એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ ઉત્તમ વૈદ્યુતિક ઇન્સુલેશન, યાંત્રિક અને પ્રકાશીય ગુણધર્મો દર્શાવે છે, અને તે વિષહીન છે તેમજ ઉચ્ચ તાપમાને કાર્બનીક ક્ષરણ પ્રતિરોધક છે, જે સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગ માટે નવી આશા લાવે છે.

એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (AlN) સેરામિક ભાગો એ AlN પાઉડરમાંથી ચોકસાઇયુક્ત મોલ્ડિંગ અને ઉચ્ચ તાપમાને સિન્ટરિંગ (1700–1900°C) સાથે સિન્ટરિંગ એઇડ્સ જેવા કે Y₂O₃ નો ઉપયોગ કરીને બનાવેલા ઉન્નત ઘટકો છે. તેમનો વ્યાપક રીતે ઇલેક્ટ્રોનિક્સ, સેમિકન્ડક્ટર્સ અને એરોસ્પેસમાં તેમના અદ્વિતીય ઉષ્મીય, વૈદ્યુતિક અને યાંત્રિક ગુણધર્મોને કારણે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ સેરામિક હીટરમાં ઉચ્ચ થર્મલ કન્ડક્ટિવિટી, ઉત્તમ ઉષ્મા સમાનતા અને વૈદ્યુતિક ઇન્સુલેશનના ગુણધર્મો હોય છે. AlN સેરામિક હીટરનો વ્યાપકપણે સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન ઉપકરણોમાં ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, અને તેનો ઉપયોગ વેક્યુમ ઇવેપોરેશન સિસ્ટમ, સ્પટરિંગ મશીનો અને CVD ઉપકરણોમાં પણ કરી શકાય છે.

મુખ્ય ગુણધર્મો

• થર્મલ કન્ડક્ટિવિટી: 170–230 W/(m·K), Al₂O₃ કરતાં ~6–8× વધુ; કેટલીક ગ્રેડમાં 260 W/(m·K) સુધીની પહોંચ.
• થર્મલ એક્સપેન્શન: ~4.5×10⁻⁶/K, Si (3.5–4×10⁻⁶/K) સાથે નજીકથી મેળ ખાય છે, જેથી થર્મલ તણાવને ઘટાડી શકાય.
• વૈદ્યુતિક ઇન્સુલેશન: રૂમ ટેમ્પરેચરે પ્રતિરોધકતા >10¹⁴ Ω·cm; ઉચ્ચ તાપમાને પણ સ્થિર રહે છે.
• યાંત્રિક: વિકર્સ કઠોરતા ~1200 HV, ફ્લેક્સુરલ સ્ટ્રેન્થ 300–400 MPa, સારો થર્મલ શોક પ્રતિરોધ.
• રાસાયણિક સ્થિરતા: પીગળેલા Al/Cu, મોટાભાગના એસિડ/બેઝ પ્રતિ પ્રતિરોધક; ઓક્સિડાઇઝિંગ વાતાવરણમાં ~1400°C સુધી સ્થિર.

મુખ્ય એપ્લિકેશન્સ

• ઇલેક્ટ્રોનિક પેકેજિંગ: ઉચ્ચ-પાવર સેમિકન્ડક્ટર્સ (IGBTs, LEDs, RF મોડ્યુલ્સ) માટેના સબસ્ટ્રેટ્સ, હીટ સિંક્સ અને પેકેજીસ — Si સાથેની ઉષ્મા સંચયની સમસ્યા અને ઉષ્મીય મિશ્રણને હલ કરે છે.
• સેમિકન્ડક્ટર પ્રોસેસિંગ: એચ/ડીપોઝિશન ટૂલ્સ માટેના પ્લાઝ્મા-પ્રતિરોધી ભાગો (ચક, ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્લેમ્પ, ચેમ્બર લાઇનર્સ).
• એરોસ્પેસ અને ડિફેન્સ: એવિયોનિક્સ અને પ્રોપલ્શન સિસ્ટમ્સમાં હલકી, ઉચ્ચ-તાપમાનની ઇન્સુલેશન અને ઉષ્મીય વ્યવસ્થાપન.
• ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સ: લેઝર હીટ સ્પ્રેડર્સ અને ઓપ્ટિકલ કોમ્પોનેન્ટ્સ, જેમાં નીચી પ્રસારણ દર અને ઉચ્ચ ઉષ્મીય વાહકતાની આવશ્યકતા હોય છે.

નિર્માણ અને કસ્ટમાઇઝેશન

સામાન્ય પ્રક્રિયા: પાઉડર મિશ્રણ → આકારણ (શુષ્ક પ્રેસિંગ, ટેપ કાસ્ટિંગ, ઇન્જેક્શન મોલ્ડિંગ) → સિન્ટરિંગ (Y₂O₃ સાથે 1700–1900°C) → ચોકસાઈયુક્ત મશીનિંગ (ગ્રાઇન્ડિંગ, લેપિંગ, લેઝર કટિંગ). ભાગોને કદ, જાડાઈ, સપાટીનું ફિનિશ અને મેટલાઇઝેશન (ઉદાહરણ તરીકે, ડાયરેક્ટ કોપર બોન્ડિંગ) માટે વિશિષ્ટ ડિઝાઇનની જરૂરિયાતો મુજબ કસ્ટમાઇઝ કરી શકાય છે.

બીજા વિકલ્પો સાથેનો સરખામણિયા ફાયદો

• BeO કરતાં વધુ સુરક્ષિત (નોન-ટોક્સિક).
• SiC કરતાં Si સાથેનું ઉષ્મીય મિશ્રણ વધુ સારું.
• Al₂O₃ કરતાં વધુ ઉચ્ચ ઉષ્મા વાહકતા, પરંતુ સમાન વિદ્યુતીય નિરોધકતા.

પડકારો

• Al કરતાં વધુ મોંઘું. ₂ O ₃ ; ઉષ્મા વાહકતાને અસર કરતી પ્રક્રિયા સંબંધિત ખામીઓ માટે સંવેદનશીલ.
• જળઅપઘટન (હાઇડ્રોલિસિસ) રોકવા માટે પ્રક્રિયા દરમિયાન કડક આર્દ્રતા નિયંત્રણની જરૂર હોય છે.

AlN સેરામિક ભાગો આગામી પેઢીની ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને ઉચ્ચ-ટેક સિસ્ટમ્સ માટે મહત્વપૂર્ણ છે, જે અત્યંત કઠિન પરિસ્થિતિઓમાં કાર્યક્ષમ ઉષ્મા વ્યવસ્થાપન અને વિશ્વસનીય કામગીરી સક્ષમ બનાવે છે.

AlN સેરામિક ઉષ્મા શન્ટ એક ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળો ઉષ્મા વ્યવસ્થાપન ઘટક છે

જેનો ઉપયોગ ઉચ્ચ-પ્રદર્શન અને ઉચ્ચ-વિશ્વસનીયતાવાળી ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં થાય છે, જ્યાં મહત્તમ ઉષ્મા સ્થાનાંતર અને વિદ્યુતીય અલગાવની એકસાથે જરૂરિયાત મહત્વપૂર્ણ હોય છે. તે વિદ્યુતીય રૂપે અલગ કરતા પણ ઉષ્માને અવરોધિત કરતા ઇન્ટરફેસની પ્રાચીન સમસ્યાનું નિરાકરણ કરે છે, જે એવો માર્ગ પ્રદાન કરે છે જે બંને રીતે ઉચ્ચ-વાહક અને વિદ્યુતીય રૂપે અલગ કરતો હોય.

માર્ગ જે બંને રીતે ઉચ્ચ-વાહક અને વિદ્યુતીય રૂપે અલગ કરતો હોય.

સામગ્રી: એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (AlN) એ એક ઉન્નત તકનીકી સેરામિક છે.

મુખ્ય ગુણધર્મોઃ તે એક અસાધારણ ઊંચી થર્મલ વાહકતા ધરાવે છે

ઇલેક્ટ્રિકલ ઇન્સ્યુલેટર. ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળા એએલએન પાસે તાપમાન વાહકતા સ્પર્ધા કરી શકે છે

એલ્યુમિનિયમ જેવા ધાતુઓ ( ≈ 170-220 W/mK ).

અન્ય ગુણધર્મો: તે ઉત્તમ વિદ્યુત ઇન્સ્યુલેટર છે, તેમાં ગુણાંક છે

થર્મલ વિસ્તરણ (સીટીઇ) જે સિલિકોન અને અન્ય

સેમીકન્ડક્ટર્સ, અને ઉચ્ચ યાંત્રિક મજબૂતાઇ અને રાસાયણિક સ્થિરતા ધરાવે છે.

મુખ્ય એપ્લિકેશન્સ:

• પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સઃ આઇજીબીટી, મોસફેટ, પાવર મોડ્યુલો અને એલઇડી પેકેજો માટે ઇન્સ્યુલેટિંગ સબસ્ટ્રેટ્સ. તે અલગ અલગ ઇન્સ્યુલેશન પેડની જરૂર વગર (જે ઘણી વખત નીચલા થર્મલ વાહકતા ધરાવે છે) મેટલ બેઝપ્લેટ અથવા હીટસિંક પર સેમિકન્ડક્ટર ડાઇમાંથી ગરમીને ખસેડે છે.
• આરએફ/માઇક્રોવેવ પેકેજોઃ વિન્ડો ફ્રેમ અથવા ઢાંકણ તરીકે જે હર્મેટિક સીલ અને આંતરિક આરએફ ડાઇમાંથી ગરમીને છટકી જવા માટે માર્ગ બંને પૂરો પાડે છે.
• લેસર ડાયોડ કેરિયર્સઃ લેસર ડાયોડ માઉન્ટ કરવા માટે, જ્યાં કાર્યક્ષમ ગરમી નિષ્કર્ષણ કામગીરી અને જીવનકાળ માટે નિર્ણાયક છે, જ્યારે વિદ્યુત અલગતા જાળવી રાખે છે.
• ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ, ઉચ્ચ-આવૃત્તિની એપ્લિકેશન્સ: જ્યાં ઉત્તમ થર્મલ પ્રદર્શન અને ઉચ્ચ ડાયઇલેક્ટ્રિક સ્ટ્રેન્થ બંનેની આવશ્યકતા હોય.

 સામાન્ય ડિઝાઇન અને ઉપયોગ:

AlN હીટ શન્ટ ઘણી વાર સાચો મશીન કરેલો પ્લેટ, સ્પેસર અથવા

સબસ્ટ્રેટ તરીકે આવે છે.

• અન્ય ઘટકો સાથે બ્રેઝિંગ અથવા સોલ્ડરિંગ માટે એક અથવા બંને બાજુઓ પર (Mo-Mn અથવા થિક-ફિલ્મ ટેકનિક વાપરીને) ધાતુયુક્ત ટ્રેસ અથવા પેડ્સ.
• વિદ્યુતીય કનેક્શન્સ માટે થ્રૂ-હોલ્સ અથવા વાયાસ.
• તે સામાન્ય રીતે ગરમ ઘટક (ઉદાહરણ તરીકે, સેમિકન્ડક્ટર ડાઇ) અને કૂલિંગ સોલ્યુશન (ઉદાહરણ તરીકે, કોપર હીટ સિંક) વચ્ચે સોલ્ડર કરવામાં આવે છે અથવા બ્રેઝ કરવામાં આવે છે.

ટેક્નિકલ સ્પેક્સ