Progresso da Investigação de Suoyi sobre a Tecnologia de Preparação e Industrialização do Pó de Nitreto de Alumínio Pó de Nitreto de Alumínio

Progresso da Investigação de Suoyi sobre a Tecnologia de Preparação e Industrialização do Pó de Nitreto de Alumínio
Pó de Nitreto de Alumínio
AlN
CAS 24304-00-5
A cerâmica de nitreto de alumínio (AlN) apresenta uma elevada condutividade térmica, um excelente isolamento elétrico, uma baixa constante dielétrica e um coeficiente de expansão térmica próximo do silício. Tornou-se um material de encapsulamento termicamente condutor essencial para semicondutores de alta potência, dispositivos de novas energias e circuitos integrados de alta densidade. A qualidade do pó de AlN, incluindo a pureza, o teor de oxigénio, o tamanho das partículas, a morfologia e a dispersibilidade, determina diretamente o desempenho de sinterização e a condutividade térmica das cerâmicas de AlN. Este artigo resume sistematicamente as principais rotas de síntese do pó de AlN, analisa as vantagens técnicas, os defeitos inerentes e os progressos recentes na otimização de cada processo, classifica o estado atual da indústria no país e no estrangeiro, discute os principais estrangulamentos que restringem a produção em larga escala de pó de AlN de alta qualidade e apresenta perspetivas para o desenvolvimento de novas tecnologias de preparação e modernização industrial.

Palavras-chave: pó de nitreto de alumínio; redução carbotérmica e nitretação; nitretação direta; síntese por combustão; industrialização; cerâmica de elevada condutividade térmica

1 Introdução
Com o rápido desenvolvimento da eletrónica de alta potência, dos veículos elétricos e da comunicação 5G, os requisitos de dissipação de calor e isolamento dos substratos eletrónicos são continuamente melhorados. Os substratos de alumina já não conseguem satisfazer a procura de elevada condutividade térmica, e as cerâmicas de AlN têm atraído grande atenção como um material alternativo ideal.

As cerâmicas de AlN de alto desempenho dependem fortemente de pó de AlN de alta qualidade. O baixo teor de oxigénio, a distribuição granulométrica estreita, a fraca aglomeração e a boa atividade de sinterização são indicadores essenciais para o pó de AlN comercial de alta qualidade. Atualmente, apenas algumas empresas dominam a tecnologia de produção em massa de pó de AlN de alta qualidade. As principais rotas de preparação incluem a redução carbotérmica e nitretação (CRN), nitretação direta de alumínio metálico, síntese autopropagante a alta temperatura (SHS/síntese por combustão), deposição química de vapor (CVD), método mecanoquímico e síntese assistida por plasma. Entre estas, a CRN e a nitretação direta dominam a produção industrial, enquanto outras novas tecnologias se mantêm, na sua maioria, em fase laboratorial ou em planta piloto.

2 Principais Tecnologias de Preparação e Progresso da Investigação
2.1 Redução Carbotérmica e Nitretação (CRN)
Princípio da reação:
A alumina e as fontes de carbono são misturadas uniformemente e reagem sob fluxo de azoto a 1600–1800 °C, seguido de tratamento de descarbonização para remoção do carbono residual.

Vantagens
A rota CRN pode produzir pó com elevada pureza, tamanho de grão uniforme, boa consistência e qualidade estável do lote. É a tecnologia dominante para pó de AlN de alta qualidade para substratos de alta condutividade térmica e ocupa a maior parte do mercado de ponta em todo o mundo.

Problemas existentes
Temperatura de reação elevada, tempo de espera longo, consumo de energia elevado; é geralmente adicionado carbono em excesso para melhorar a conversão da nitretação; a descarbonização incompleta leva à contaminação por carbono e a reoxidação aumenta o teor de oxigénio.

Otimização em pesquisas recentes
Os investigadores adotam alumina ativada (γ-Al₂O₃), hidróxido de alumínio, precursores sol-gel ou mistura homogénea em fase líquida para reduzir a temperatura de reação e o tempo de espera. A adição de auxiliares de sinterização, a otimização do fluxo de azoto e a calcinação em duas etapas podem reduzir eficazmente o teor de oxigénio e carbono residual e suprimir o crescimento das partículas.

2.2 Nitretação Direta de Pó de Alumínio
O pó de alumínio metálico reage diretamente com o azoto ou o amoníaco a 500–1300 °C:
Vantagens
Processo simples, baixo investimento em equipamento, sem introdução de impurezas de carbono, adequado para pós a granel de qualidade média e baixa e produtos de grau de enchimento.

Problemas existentes
A reação fortemente exotérmica provoca facilmente fusão localizada, aglomeração significativa e nitretação incompleta. A camada de AlN formada bloqueia a difusão do azoto. O produto requer uma moagem intensiva, o que introduz impurezas e deteriora a morfologia do pó.

Otimização recente
Os aditivos catalíticos (Mg, NH₄Cl), o aquecimento por etapas, a nitretação controlada por pressão e a pré-nitretação por plasma são adotados para mitigar a aglomeração e aumentar a taxa de conversão. A modificação da superfície após a moagem melhora a resistência à hidrólise e a dispersibilidade.

2.3 Síntese autopropagante a alta temperatura (SHS / Síntese por combustão)
O pó de alumínio é ignizado sob atmosfera de azoto pressurizado. O calor libertado pela reação sustenta a reação contínua sem necessidade de aquecimento externo prolongado, e todo o processo termina em poucos minutos.