매우 높은 열전도율을 가진 라이트닝 바카라콘 질화물 세라믹

바카라 커뮤니티 (Nomaguchi Ari 회장) (이하 "AIST")고급 제조 프로세스 연구 부서[리서치 디렉터 Murayama Nobumitsu] 엔지니어링 세라믹 리서치 팀 Hirao Kiyoji 리서치 팀 연구팀과 수석 연구원 인 Shu Yu는 Denki Chemical Industry Co, Ltd와 협력 할 것입니다 Wakabayashi Toshikatsu] (이하 "Nihon Fine Ceramics"라고 불렀습니다)라이트닝 바카라콘 질화물 (SI₃n₄) 도자기열전도도기존 제품에 비해 급격히 증가하여 열전도율이 높고 높은강도높은 인성을 결합한 세라믹을 개발했습니다

　전력 모듈열을 소산하려면 높은 열전도율이 필요합니다 라이트닝 바카라콘 질화물은 강도와 ​​인성이 높지만 기존의 제조 기술을 사용하면 높은 열전도율과 우수한 기계적 특성을 결합한 라이트닝 바카라콘 질화물 재료를 제조하기가 매우 어려웠습니다

이번에는 약 1400 ℃라이트닝 바카라콘 분말 성형 바디그리고 고온에서이를 밀도로, 우리는 세계에서 177 w/(m · k)의 가장 높은 열전도율을 가진 라이트닝 바카라콘 질화물 세라믹을 성공적으로 생산했습니다 일반적으로 전력 모듈의 열 소산 보드로 사용알루미늄 질화물 세라믹의 열전도율 약 170 ~ 230 w/(m · k),이 범위 내에서 라이트닝 바카라콘 질화물 소결체의 열전도율이 개선 될 수 있습니다 또한, 물질은 질화증 알루미늄보다 강도가 높고 강인성을 나타낸다골절 인성| 질화증 알루미늄의 3 배 이상이었습니다 원주 입자가 얽힌 구조를 갖는 사실은 우수한 기계적 특성에 기여합니다

이 연구의 세부 사항은 "고급 재료"잡지

높은 열전도도의 골절 표면의 전기 로그래프 질화 질화물 개발

전력 전자 장치의 최근 발전으로 고효율로 전력 변환 및 제어가 수행됩니다전원 장치빠르게 인기를 얻었습니다 고출력 장치는 산업용 로봇 및 열차와 같은 운송 장비의 모터 제어에 사용됩니다 또한 자동차 전력 및 전기 모터의 혼성화 경향이 급격히 발전하고 있으며 고출력 전력 모듈 시장은 빠르게 확장되고 있습니다

전원 모듈은 수십에서 수백 kW의 큰 전력을 변환하고 제어하므로 회로 기판에는 높은 절연, 열 소산 및 내열 저항이 필요합니다 알루미늄 질화물 (ALN) 기판은 약 200 w/(m · k)의 높은 열전도율을 가지며 차량 내 인버터와 같은 높은 출력 밀도가 높은 전력 모듈의 회로 보드에서 사용되었습니다 그러나 전력 모듈의 출력 밀도는 해마다 증가하고 있으며 자동차에 설치하면 온도가 크게 변할 때 조인트에서 높은 응력이 발생하면 회로 보드는 높은 열전도율과 더불어 우수한 기계적 특성에 대해 강력하게 요구됩니다

그림 1은 현재 이용 가능한 알루미나 기판, 알루미늄 질화물 기질 및 라이트닝 바카라콘 질화물 기판의 강도와 열전도율 (도 1-A)과 골절 강인성 및 열전도도 (도 1-B) 사이의 관계를 보여준다 알루미늄 질화물 기판은 열전도율이 높지만, 질화 라이트닝 바카라콘보다 기계적 특성 (강도 및 골절 강인성)이 더 낮습니다 반면, 라이트닝 바카라콘 질화물은 우수한 기계적 특성을 가지지 만 열전도율은 질화증의 절반보다 작습니다 그러나, 라이트닝 바카라콘 질화물의 이론적 열 전도도는 200 w/(m · k)를 초과 할 것으로 예상되며, 우수한 기계적 특성과 높은 열전도도를 결합한 차세대 회로 보드 재료로서 라이트닝 바카라콘 질화물 도자기의 개선 된 열 전도도에 대한 강한 수요가 있었다

그림 1 상업적으로 이용 가능한 세라믹 열 소산 기판의 특성 및 질화 라이트닝 바카라콘 질화물의 특성 비교

AIST는 라이트닝 바카라콘 질화물 세라믹의 제조 공정, 미세 구조 및 열전도율 사이의 관계에 대한 수년 동안 기본 연구를 수행해 왔습니다 2001 년, 질화 마그네슘 (MGSIN₂)를 질화 라이트닝 바카라콘의 소결 보조제로 사용하여 약 150 w/(m · k) (애니메이션 연구소 보도 자료 릴리스 2001 년 7 월 9 일)

그러나, 질화 마그네슘 질화 마그네슘을 첨가함으로써 높은 열전도율이 달성되었지만, 높은 열전도도 질화 라이트닝 바카라콘 소결 체의 150 w/(m · k)에서, 소결 공정 동안 매우 거친 입자가 자라서 강도 및 골절 강도가 크게 감소한다

2009 년부터 AIST의 기본 지식을 바탕으로, 우리는 라이트닝 바카라콘 질화물 세라믹의 연구 및 개발에 관한 연구를 해왔습니다 우리는 탁월한 기계적 특성과 높은 열전도율을 결합한 Denki Chemical Industry, 포괄적 인 재료 제조업체 및 비산화물 세라믹 및 Nippon Fine Ceramics에서 첨단 기술을 보유하고 있으며, 산업용기구를 제조하고 세라믹 컴포넌트를 판매하는 Nippon Fine Ceramics의 첨단 기술을 결합하여 우수한 기계적 특성과 높은 열 전도성을 결합합니다 우수한 기계적 특성과 높은 열전도율을 결합한 세라믹

절연체 세라믹에서 열은 결정 격자의 진동 (포논이라고 함)을 통해 전달됩니다 따라서, 결정에 격자 결함이있는 경우 (공석, 비 유사한 요소의 대체 등) 포논이 흩어져 열전도율이 크게 감소합니다 다이아몬드 (이론적 열전도율 : 2000 w/(m · k)) 및 알루미늄 질화물 (이론적 열전도율 : 320 w/(m · k))와 같은 결정은 원자와 높은 대칭 결합을 갖는 강한 결합을 갖는 광 원소로 구성되며, 이는 쉽게 전도도를 전도 할 수 있으며 열 전도도를 가질 수 있습니다 유사하게, 순수한 라이트닝 바카라콘 질화물 결정의 열 전도도는 200 w/(m · k)를 초과 할 것으로 예상된다

질화 라이트닝 바카라콘은 그 자체로 소결하기 어려운 어려운 소결 물질로 알려져 있습니다 기존의 제조 기술에서 라이트닝 바카라콘 질화물 분말은 원료로 사용됩니다소결 보조주로 Yttrium Oxide (y₂O₃)와 같은 희토류 산화물 추가 및 고온에서소결원주민 입자가있는 조밀 한 세라믹이 생성됩니다 그러나, 상업적으로 이용 가능한 고순도 라이트닝 바카라콘 질화물 분말은 입자의 표면의 산화로 인한 불순물로서 약 1 중량%의 산소를 함유한다 이 불순물 산소는 또한 소결 공정 동안 라이트닝 바카라콘 질화물 결정 내부로 이동하여 고체적으로 용해시켜 포논 산란을 유발하여 열 전도를 억제하여 열전도율이 증가하지 않습니다 출발 물질에서 산소의 양이 감소하면, 라이트닝 바카라콘 질화물 입자 내부의 고체 분해 산소의 양은 낮게 유지 될 수 있지만, 불순물 산소는 질산 질화물 입자의 표면 산화에 의해 야기되며, 우수한 소결 특성을 갖는 미세 분화로 불순물 산소의 양을 감소시키는 것은 어렵다 이 문제를 극복하기 위해이 발달에서 우리는 "반응 소결 및 사후 사후 방법"에 중점을 두었습니다 주로 희토류 산화물로 만들어진 소결 보조제로 만든 성형 된 몸체는 약 1400 ° C에서 질화 된 다음 고압 및 고압 질화에 따른 고밀도에 고도를 둔다 곡물 성장을 억제하십시오 이 기술은 산소가 거의없는 라이트닝 바카라콘 분말의 장점이 있으며, 원료 분말로 사용될 수있다; 2) 질화는 라이트닝 바카라콘 분말의 치수 변화없이 수행된다; 3) 라이트닝 바카라콘 분말 성형 몸체는 반응 소결 후 비교적 높은 상대 밀도 (약 80%)로 질화되기 때문에 소결 후 밀도가 쉽다 3) 라이트닝 바카라콘 분말과 질소와의 반응에 의한 라이트닝 바카라콘으로 전환 및 후속 밀도는 공기에 노출되지 않고 일련의 단계에서 수행 될 수 있으며, 따라서 분말의 산화를 억제하고, 최종적으로 얻어진 신체의 라이트닝 바카라콘 질화물 입자 내부의 불순물 산소의 양을 억제 할 수있다

열 전도를 억제하는 입자 내부의 불순물의 양과 입자 경계 상을 최소화질화물 반응그리고 사후에, 우리는 177 w/(m · k)의 높은 열전도율로 라이트닝 바카라콘 질화물 세라믹을 성공적으로 생산했습니다 기계적 특성의 평가를 허용하는 약 40 × 40 × 5 mm의 크기를 갖는 소결 신체를 생산할 수 있으며, 소결 신체의 강도 및 골절 강인성을 평가 하였다 그림 1의 적색 원으로 표시된 바와 같이, 이번에 개발 된 재료는 높은 열 전도성 일뿐 만 아니라 질화증 (3 점 굽힘 강도: 약 550 MPa) 및 골절 인성 (11 MPAM^1/2)는 질화증 알루미늄 (3 MPAM^1/2약) 크기의 3 배 이상이며 세계에서 가장 높은 열전도율과 우수한 기계적 특성을 가지고 있습니다 그림 2는 개발 된 재료의 파괴 ​​섹션의 주사 전자 현미경 사진 (SEM 사진)을 보여줍니다 미세 구조는 원주민이 개발 된 라이트닝 바카라콘 질화물 입자와 얽히고, 이는 높은 골절 강인성을 제공합니다 또한, 원주 입자의 크기는 비교적 균일하며 매우 거친 입자는 발견되지 않습니다 원주 입자의 성장을 제어하는 ​​능력 및 고 골절 강인은이 물질의 적절한 강도를 유지하는 데 기여합니다

그림 2 : 개발 된 높은 열전도율 라이트닝 바카라콘 질화물의 골절 섹션의 전자 현미경 사진

앞으로, 이번에 개발 된 프로세스를 기반으로, 우리는 높은 열전도율과 우수한 기계적 특성을 결합한 라이트닝 바카라콘 질화물 회로 보드에 대한 제조 공정을 확립하고, 전력 모듈과 같은 기판 재료로서 실질적으로 사용될 것이며, 이는 열 소산 및 우수한 기계적 특성에 기초한 신뢰성을 필요로한다

◆ 라이트닝 바카라콘 질화물 세라믹

라이트닝 바카라콘 질화물 분말을 소결하여 얻은 소결 체를 라이트닝 바카라콘 질화물 세라믹이라고합니다 질화 라이트닝 바카라콘은 소결하기가 매우 어렵고, 산화물의 몇 ~ 10%가 소결 보조제로 첨가되며, 고온에서 형성된 용융물을 통해 밀도가 수행됩니다
우수한 열 충격 저항 및 부식성, 고강도 및 골절 강인성을 갖춘 전형적인 구조 세라믹 한편,이 기사에서 설명한 바와 같이, 최근 몇 년 동안, 이는 열전도율이 높고 열전도율이 높고 단열 특성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 세라믹 열 소산 기판으로 개발 될 것으로 예상된다[참조로 돌아 가기]

◆ 열전도율

물질에서 열 전달의 용이성을 나타내는 물리적 양 구체적으로, 단위 시간에 단위 영역을 통과하는 열 에너지를 온도 구배에 의해 나누어서 얻은 값이며, w/(m · k)의 단위를 갖는다[참조로 돌아 가기]

◆ 강도

힘이 적용될 때 재료가 파손되기 전에 견딜 수있는 힘 인장 강도, 굽힘 강도, 압축 강도 등은 물질에 힘을 적용하여 측정됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 전원 장치, 전원 모듈

반도체 장치를 사용한 고전력 (정류, DC/AC 변환, 주파수 변환, 전류/전압 제어 등)을 제어하는 ​​장치는 일반적으로 전력 장치라고하며 정류 다이오드, 전력 트랜지스터 (Power MOSFET, IGBTS)를 포함합니다 전원 모듈에는 전원 MOSFET 및 전원을 제어하는 ​​IGBT와 같은 전원 장치의 드라이브 회로 및 자체 보호 기능이 통합되어 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 라이트닝 바카라콘 분말 성형 바디, 질화 반응

라이트닝 바카라콘 분말 성형 생성물이 라이트닝 바카라콘 (1410 ℃) 이하의 융점으로 가열되면 성형 생성물의 외부 형상은 변화없이 라이트닝 바카라콘 질화물 입자로 만든 성형 생성물로 변환 될 수있다 이 시점에서, 개별 라이트닝 바카라콘 입자의 부피는 질화 반응으로 인해 약 22% 증가하며, 샘플의 외부 치수는 변하지 않아 원래 성형 생성물보다 밀도가 높은 질화물 생성물을 초래한다 라이트닝 바카라콘 라이트닝 바카라콘 분말에 소결에 대한 소결 보조제가 사전에 라이트닝 바카라콘 분말에 첨가되는 경우, 질화 후 온도가 높아지고 (사후 소결이라고 함), 라이트닝 바카라콘의 질화 및 질화물의 후속 소결이 일련의 과정에서 수행 될 수있게한다[참조로 돌아 가기]

◆ 알루미늄 질화물 세라믹

소결 알루미늄 질화물 분말로 얻은 소결 체를 알루미늄 질화물 세라믹이라고합니다 라이트닝 바카라콘 질화물과 마찬가지로 소결하기가 어렵 기 때문에, 희토류 산화물 등은 고밀도 소결 신체를 생산하기 위해 소결 보조제로 첨가됩니다 세라믹 중에서도 열전도율이 매우 높고 전기 절연이 뛰어나며 방열판 부재로 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 골절 인성

재료의 끈적임을 나타내는 표시기 골절 인성은 균열이 재료에 도입 될 때 균열의 성장에 대한 저항입니다 일반적으로 MPAM^1/2의 단위로 표시됩니다 골절 강인성이 높은 재료는 약간의 균열로도 강도를 유지하는 반면, 낮은 골절 강인성을 가진 재료는 작은 균열이있는 경우에도 강도를 크게 감소시킵니다[참조로 돌아 가기]

◆ 소결 보조

라이트닝 바카라콘 질화물은 강한 공유 결합 특성을 가지며 물질의 확산이 매우 느리기 때문에 원료가 양호하더라도 성형 몸체를 높은 온도로 가열하여 밀도를 높일 수 없습니다 따라서, 용융물을 생성하는 산화물의 미량 양이 고온에서 첨가되고, 생성 된 용융물을 통해 밀도가 수행된다 이 목적을 위해 추가 된 트레이스 구성 요소를 소결 보조 장치라고합니다 라이트닝 바카라콘 질화물 입자의 표면은 매우 얇은 산화물 층 (라이트닝 바카라카 층)으로 덮여 있으며, 전형적인 소결 원료 분말의 불순물 라이트닝 바카라카 함량은 약 2%이다 이 불순물 라이트닝 바카라카 및 첨가 된 소결 보조제는 라이트닝 바카라카 기반 액체 상을 형성하여 밀도를 촉진합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 소결 (소결 바디)

소결은 접촉중인 입자가 융점 아래의 온도에 보관 될 때 입자의 유착이 전체 입자 시스템의 표면 에너지를 감소시키는 방향으로 진행되어 외부로의 기공을 제거하는 방향으로 진행된다는 현상을 나타냅니다 많은 세라믹은 소결을 사용하여 미세한 가루로 만든 성형 몸체를 강화합니다 소결에 의해 생성 된 조밀 한 몸을 "소결 된 몸"이라고합니다 많은 경우에, 소결 보조제가 주요 원료에 첨가되어 소결 동안 치밀화를 촉진하거나 소결 신체의 구조를 제어한다[참조로 돌아 가기]

◆ 3 점 굽힘 강도

제곱 프리즘 시편의 하단 표면에 두 개의 풀 크럼이 배치 될 때 재료가 파손될 때 측정 된 최대 굽힘 응력, 두 지점 사이의 중앙에있는 상단 표면의 하중에서 하중이 적용됩니다 단위 영역 당 힘으로 정의되며, 일반적으로 MPA (= n/mm²)의 단위로 표현됩니다[참조로 돌아 가기]