I substrati ceramici di nitruro di alluminio hanno una conduttività termica estremamente elevata, un alto tasso di isolamento elettrico e proprietà di espansione termica simili a quelle di materiali a semiconduttore come i wafer di silicio. Sono ampiamente utilizzati nel settore degli imballaggi elettronici.
Il leader del mercato nella polvere di materie prime in alluminio è Tokuyama Corporation del Giappone. Ha una produzione annuale di 840 tonnellate di polvere di nitruro di alluminio e rappresenta circa il 75% della quota di mercato globale. Tokuyama usa principalmente il metodo di riduzione carbotermica per produrre e preparare polvere di nitruro di alluminio di livello elettronico ad alta purezza.
I vantaggi del metodo di riduzione del carbotermico sono che può utilizzare una vasta gamma di materie prime (AL2O3) e ottenere un controllo di processo stabile contemporaneamente. Il principio di processo del metodo di riduzione del carbotermico è il seguente: quando AL2O3 e C miscelati uniformemente vengono riscaldati in un'atmosfera N2, Al2O3 viene prima ridotto e quindi il prodotto risultante reagisce con N2 per generare ALN. La sua formula di reazione chimica è Al2O3 (S) + 3C (S) + N2 (G) → 2aln (S) + 3co (G). Questo metodo ha un processo semplice, elevata purezza della polvere, dimensioni delle particelle e distribuzione uniforme. Tuttavia, il tempo di sintesi è lungo, la temperatura di nitriding è relativamente elevata e il carbonio eccessivo deve essere rimosso dopo la reazione. Se la rimozione del carbonio non è completa e il contenuto di carbonio residuo nella polvere di nitruro di alluminio è troppo elevato, avrà un grande impatto sulle prestazioni della polvere. La polvere di livello H di Tokuyama può controllare il contenuto di carbonio residuo in ≤ 280 ppm e la polvere di grado G può controllarlo in un ≤ 200 ppm.
L'eccessivo contenuto di carbonio residuo ha i seguenti impatti principali sui substrati ceramici di nitruro di alluminio:
Impatto sul processo di sinterizzazione: durante il processo di sinterizzazione della ceramica di nitruro di alluminio, il contenuto di carbonio residuo influenzerà il grado di densificazione e la microstruttura del corpo sinterizzato. Un contenuto di carbonio residuo troppo alto può portare alla comparsa di buchi o fessure nel corpo sinterizzato, riducendo così le proprietà meccaniche e la stabilità termica del materiale.
Impatto sulla conduttività termica: l'esistenza del contenuto di carbonio residuo influenzerà direttamente la conduttività termica della ceramica di nitruro di alluminio. Poiché la conduttività termica del carbonio è molto inferiore a quella del nitruro di alluminio, un aumento del contenuto di carbonio residuo porterà a una diminuzione della conducibilità termica complessiva della ceramica di nitruro di alluminio.
Impatto sulle proprietà meccaniche: il contenuto di carbonio residuo influenzerà anche le proprietà meccaniche della ceramica di nitruro di alluminio, come la resistenza alla flessione e la tenacità della frattura. Studi sperimentali hanno dimostrato che quando la temperatura diminuisce, la resistenza alla flessione e la tenacità della frattura della ceramica di nitruro di alluminio contenenti una quantità adeguata di carbonio residuo aumenteranno in una certa misura. Tuttavia, se il contenuto di carbonio residuo è troppo elevato, può portare a una concentrazione di stress all'interno del materiale e quindi ridurre le sue proprietà meccaniche.
Impatto sulle proprietà elettriche: per i campi di applicazione che richiedono un elevato isolamento elettrico, l'esistenza del contenuto di carbonio residuo può ridurre le prestazioni di isolamento elettrico della ceramica di nitruro di alluminio. Poiché il carbonio stesso è un materiale conduttivo, un contenuto di carbonio residuo troppo alto aumenterà la conduttività elettrica del materiale, influenzando così la sua applicazione nel campo elettronico.
