Las aplicaciones de los disipadores de calor de nitruro de aluminio (AlN)

Los tipos más comunes de disipadores de calor cerámicos de AlN incluyen el disipador de calor radial cerámico de AlN (disipador de calor de aletas circulares de AlN) y el radiador térmico de AlN con aletas de placa (disipador de calor de placa cerámico de AlN), como se muestra en la figura a continuación. Su eficaz disipación de calor los hace ideales para su uso en electrónica de potencia, sistemas automotrices, energía fotovoltaica y tecnologías LED.

Características de rendimiento de los disipadores de calor cerámicos de AlN - Capacidades eficaces de gestión térmica

• La alta conductividad térmica permite una rápida transferencia de calor desde los componentes activos.
• Aislamiento eléctrico adecuado para aplicaciones de alta tensión.
• Resistencia a la oxidación hasta 900°C
• Resistencia a la corrosión química y a la humedad.
• Menor densidad, aproximadamente un 30% más ligero que el aluminio.
• Ambientalmente seguro y conforme con los estándares de fabricación ecológica.

Debido a estos atributos, las cerámicas de AlN se utilizan comúnmente en aplicaciones electrónicas donde se requiere alta potencia y confiabilidad.

Dónde se utilizan principalmente los disipadores de calor cerámicos de AlN？

1. Electrónica de potencia y módulos IGBT

La electrónica de potencia depende de módulos IGBT, que son componentes clave en sistemas ferroviarios de alta velocidad, vehículos eléctricos, turbinas eólicas y estaciones base 5G.

Dada su alta potencia de salida y su considerable generación de calor, estos módulos requieren materiales que gestionen eficientemente las cargas térmicas. Los sustratos cerámicos de AlN, con su alta conductividad térmica y coeficientes de expansión térmica muy similares a los de los chips de silicio, minimizan la tensión térmica y mejoran la fiabilidad y la vida útil de los módulos de potencia.

Las aplicaciones comunes incluyen:

• Sistemas de tracción en el transporte ferroviario
• Accionamientos de motores industriales y soluciones de movilidad eléctrica
• Transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC)
• Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI)
• Convertidores de energía renovable como inversores solares y eólicos

2. Sistemas de iluminación y embalaje LED

A medida que la tecnología LED avanza hacia mayores densidades de potencia, la gestión térmica eficaz se vuelve aún más crucial. Los sustratos cerámicos de AlN ofrecen la combinación necesaria de alta conductividad térmica, estabilidad térmica, bajas tasas de expansión y aislamiento eléctrico.

Se utilizan ampliamente en paquetes de LED de potencia media a alta, como flip-chip, unión eutéctica, chip sobre placa (COB), empaquetado a escala de chip (CSP) y empaquetado a nivel de oblea (WLP).

Una refrigeración eficiente ayuda a mantener la eficacia luminosa y prolonga la vida útil de los LED. Generalmente, reducir la temperatura de la unión en 10 °C puede duplicar la vida útil del LED.

3. Módulos fotovoltaicos y sistemas de energía solar concentrada

En aplicaciones fotovoltaicas concentradas (CPV/HCPV), la radiación solar se concentra en células solares pequeñas y de alta eficiencia, lo que aumenta considerablemente las temperaturas locales.

Sin estrategias adecuadas de disipación de calor, el rendimiento y la durabilidad de estas celdas se deteriorarían rápidamente.

Los sustratos cerámicos de AlN, colocados entre el chip y el disipador de calor con materiales de interfaz térmica (TIM), facilitan una transferencia de calor eficiente, lo que contribuye a mejorar la eficiencia del sistema y la estabilidad a largo plazo.

4. Microelectrónica y dispositivos optoelectrónicos

Más allá de las aplicaciones de energía tradicionales, las cerámicas de AlN se utilizan en equipos de procesamiento de semiconductores y dispositivos optoelectrónicos, incluidos:

• Disipadores de calor
• Distribuidores térmicos
• Mandriles
• Abrazaderas de anillo
• Sustratos de circuitos
• Capas de aislamiento
• Mandriles electrostáticos estáticos
• Módulos de gestión térmica láser
• Sistemas de paquetes de microondas

Su papel es vital para mantener un rendimiento estable en condiciones de funcionamiento de alta temperatura y alta frecuencia.

Formas de producto de disipadores de calor cerámicos de AlN

Dependiendo de las necesidades específicas de la aplicación, las cerámicas de AlN están disponibles en una variedad de formas y configuraciones, como:

• Disipadores de calor para sistemas de alta potencia
• Crisoles para la fusión de metales
• Varillas y calentadores de cerámica de AlN
• Sustratos cerámicos con formas personalizadas
• Components for semiconductor manufacturing
• Mandriles electrostáticos estáticos y placas térmicas

Los equipos CNC avanzados nos permiten mecanizar piezas de AlN más complejas y precisas, como formas de hélices, ampliando enormemente la gama de aplicaciones.

¿Cuáles son los principales desafíos y hacia dónde se dirige la investigación en cerámica de nitruro de aluminio?

En realidad, la cerámica de AlN no conduce el calor tan bien como sugiere la teoría, principalmente debido a defectos en los cristales, impurezas, problemas de tamaño de grano y contaminación por oxígeno.

Además, el proceso de fundición en cinta estándar que utilizamos en la fabricación tiene desventajas: los aditivos orgánicos en la suspensión impiden una densificación adecuada y alteran la alineación del grano, lo que perjudica el rendimiento del material.