国产一区二区三区四区五区美女,人人超碰人人,欧美疯狂做爰3xxx高清,av老司机在线

新聞詳情

氮化鋁陶瓷性能、制備工藝及其應(yīng)用

17 2024-01-08
氮化鋁陶瓷性能

隨著集成電路成為了國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),很多半導(dǎo)體材料得以被研究開發(fā),氮化鋁(AlN)無疑是其中最具有發(fā)展前景的材料之一。近年來,眾多企業(yè)都意識到氮化鋁是一個研究熱點,也將是一個市場熱點,所以部分企業(yè)對此早有部署。今天我們就來了解一下氮化鋁蘊藏著怎樣的魅力。


氮化鋁的研究歷史


氮化鋁是一種綜合性能優(yōu)良的陶瓷材料,對其研究可以追溯到一百多年前,1862年是由F.Birgeler和A.Geuhter發(fā)現(xiàn),1877年由J.W.MalletS首次合成。但在隨后的100多年并沒有什么實際應(yīng)用,當(dāng)時僅將其作為一種固氮劑用作化肥。

由于氮化鋁是共價化合物,自擴散系數(shù)小、熔點高,導(dǎo)致其難以燒結(jié),直到20世紀(jì)50年代,人們才首次成功制得氮化鋁陶瓷,并作為耐火材料應(yīng)用于純鐵、鋁以及鋁合金的熔煉。自20世紀(jì)70年代以來,隨著研究的不斷深入,氮化鋁的制備工藝日趨成熟,其應(yīng)用范圍也不斷擴大。

尤其是進入21世紀(jì)以來,隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,電子整機和電子元器件正朝微型化、輕型化、集成化,以及高可靠性和大功率輸出等方向發(fā)展,越來越復(fù)雜的器件對基片和封裝材料的散熱提出了更高要求,進一步促進了氮化鋁產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。


氮化鋁微觀結(jié)構(gòu)與性能
1、晶體結(jié)構(gòu)
氮化鋁(AlN)是一種六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的共價鍵化合物,晶格參數(shù)為a=3.114 ,c=4.986 。純氮化鋁呈藍白色,通常為灰色或灰白色,是典型的III-Ⅴ族寬禁帶半導(dǎo)體材料。
圖片
2、性能特點
氮化鋁(AlN)具有高強度、高體積電阻率、高絕緣耐壓、熱膨脹系數(shù)、與硅匹配好等特性,除了結(jié)構(gòu)陶瓷,陶瓷電子基板和封裝材料是氮化鋁陶瓷最具潛力的應(yīng)用方向。
3、參數(shù)指標(biāo)
表1 氮化鋁陶瓷主要性能參數(shù)
氮化鋁陶瓷主要性能參數(shù)
從以上數(shù)據(jù)可以看到,與其它幾種陶瓷材料相比較,氮化鋁陶瓷綜合性能優(yōu)良,非常適用于半導(dǎo)體基片和結(jié)構(gòu)封裝材料,在電子工業(yè)中的應(yīng)用潛力非常巨大。

氮化鋁的導(dǎo)熱機理

在氮化鋁一系列重要的性質(zhì)中,最為顯著的是較高熱導(dǎo)率。關(guān)于氮化鋁的導(dǎo)熱機理,國內(nèi)外已做了大量的研究,并已形成了較為完善的理論體系。主要機理為:通過點陣或晶格振動,即借助晶格波或熱波進行熱的傳遞。量子力學(xué)的研究結(jié)果告訴我們,晶格波可以作為一種粒子——聲子的運動來處理。聲子也具有波粒二象性,載熱聲子通過結(jié)構(gòu)基元(原子、離子或分子)間進行相互制約、相互協(xié)調(diào)的振動來實現(xiàn)熱的傳遞。

晶體缺陷、聲子散射是制約陶瓷熱導(dǎo)率的最主要因素。如果晶體是完全理想結(jié)構(gòu)的非彈性體,則熱可以自由的由晶體的熱端不受任何干擾和散射向冷端傳遞,熱導(dǎo)率可以達到很高的數(shù)值。
理論上AlN陶瓷的熱導(dǎo)率可達320W/(m·K),然而實際上AlN晶體并不具備完美無瑕的結(jié)構(gòu),晶體內(nèi)存在著雜質(zhì)和缺陷,聲子在晶體內(nèi)/間的傳播,總會受到干擾或發(fā)生聲子散射,因而AlN陶瓷的實際熱導(dǎo)率很難做到200W/(m·K)以上。


氮化鋁粉體的制備工藝

目前,滿足大規(guī)模量產(chǎn)的氮化鋁粉體的制備工藝主要有直接氮化法和碳熱還原法。此外,還有自蔓延合成法、高能球磨法、原位自反應(yīng)合成法、等離子化學(xué)合成法及化學(xué)氣相沉淀法等。
1、直接氮化法
直接氮化法就是在高溫的氮氣氣氛中,鋁粉直接與氮氣化合生成氮化鋁粉體,其化學(xué)反應(yīng)式為:2Al(s)+N2(g)→2AlN(s),反應(yīng)溫度在800℃-1200℃。
其優(yōu)點是工藝簡單,成本較低,適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。
其缺點是鋁粉表面有氮化物產(chǎn)生,導(dǎo)致氮氣不能滲透,轉(zhuǎn)化率低;反應(yīng)速度快,反應(yīng)過程難以控制;反應(yīng)釋放出的熱量會導(dǎo)致粉體產(chǎn)生自燒結(jié)而形成團聚,從而使得粉體顆粒粗化,后期需要球磨粉碎,會摻入雜質(zhì)。
2、碳熱還原法
碳熱還原法就是將混合均勻的Al2O3和C在N2氣氛中加熱,首先Al2O3被還原,所得產(chǎn)物Al再與N2反應(yīng)生成AlN,其化學(xué)反應(yīng)式為:
Al2O3(s)+3C(s)+N2(g)→2AlN(s)+3CO(g)
其優(yōu)點是原料豐富,工藝簡單;粉體純度高,粒徑小且分布均勻。
其缺點是合成時間長,氮化溫度較高,反應(yīng)后還需對過量的碳進行除碳處理,導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。
3、高能球磨法
高能球磨法是指在氮氣或氨氣氣氛下,利用球磨機的轉(zhuǎn)動或振動,使硬質(zhì)球?qū)ρ趸X或鋁粉等原料進行強烈的撞擊、研磨和攪拌,從而直接氮化生成氮化鋁粉體的方法。
其優(yōu)點是:高能球磨法具有設(shè)備簡單、工藝流程短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。
其缺點是:氮化難以完全,且在球磨過程中容易引入雜質(zhì),導(dǎo)致粉體的質(zhì)量較低。
4、高溫自蔓延合成法
高溫自蔓延合成法是直接氮化法的衍生方法,它是將Al粉在高壓氮氣中點燃后,利用Al和N2反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使反應(yīng)自動維持,直到反應(yīng)完全,其化學(xué)反應(yīng)式為:
2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)
其優(yōu)點是高溫自蔓延合成法的本質(zhì)與鋁粉直接氮化法相同,但該法不需要在高溫下對Al粉進行氮化,只需在開始時將其點燃,故能耗低、生產(chǎn)效率高、成本低。
其缺點是要獲得氮化完全的粉體,必須在較高的氮氣壓力下進行,直接影響了該法的工業(yè)化生產(chǎn)。
5、原位自反應(yīng)合成法
原位自反應(yīng)合成法的原理與直接氮化法的原理基本類同,以鋁及其它金屬形成的合金為原料,合金中其它金屬先在高溫下熔出,與氮氣發(fā)生反應(yīng)生成金屬氮化物,繼而金屬Al取代氮化物的金屬,生產(chǎn)AlN。
其優(yōu)點是工藝簡單、原料豐富、反應(yīng)溫度低,合成粉體的氧雜質(zhì)含量低。
其缺點是金屬雜質(zhì)難以分離,導(dǎo)致其絕緣性能較低。
6、等離子化學(xué)合成法
等離子化學(xué)合成法是使用直流電弧等離子發(fā)生器或高頻等離子發(fā)生器,將Al粉輸送到等離子火焰區(qū)內(nèi),在火焰高溫區(qū)內(nèi),粉末立即融化揮發(fā),與氮離子迅速化合而成為AlN粉體。
其優(yōu)點是團聚少、粒徑小。其缺點是該方法為非定態(tài)反應(yīng),只能小批量處理,難于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),且其氧含量高、所需設(shè)備復(fù)雜和反應(yīng)不完全。
7、化學(xué)氣相沉淀法
它是在遠(yuǎn)高于理論反應(yīng)溫度,使反應(yīng)產(chǎn)物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓,導(dǎo)致其自動凝聚成晶核,而后聚集成顆粒。


氮化鋁陶瓷的應(yīng)用
1、壓電裝置應(yīng)用
氮化鋁具備高電阻率,高熱導(dǎo)率(約為Al2O3的8-10倍),與硅的低膨脹系數(shù)相近,是高溫和大功率電子器件封裝的理想材料。
2、電子封裝基片材料
常用的陶瓷基片材料有氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁等,其中氧化鋁陶瓷基板的熱導(dǎo)率低,熱膨脹系數(shù)和硅不太匹配;氧化鈹雖然有優(yōu)良的性能,但其粉末有劇毒。
圖片

在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中,氮化硅陶瓷抗彎強度最高,耐磨性好,是綜合機械性能最好的陶瓷材料,同時其熱膨脹系數(shù)最小。而氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率、好的抗熱沖擊性、高溫下依然擁有良好的力學(xué)性能??梢哉f,從性能的角度講,氮化鋁與氮化硅是目前最適合用作電子封裝基片的材料。
3、應(yīng)用于發(fā)光材料
氮化鋁(AlN)的直接帶隙禁帶最大寬度為6.2eV,相對于間接帶隙半導(dǎo)體有著更高的光電轉(zhuǎn)換效率。AlN作為重要的藍光和紫外發(fā)光材料,應(yīng)用于紫外/深紫外發(fā)光二極管、紫外激光二極管以及紫外探測器等。此外,AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成連續(xù)的固溶體,其三元或四元合金可以實現(xiàn)其帶隙從可見波段到深紫外波段的連續(xù)可調(diào),使其成為重要的高性能發(fā)光材料。
4、應(yīng)用于襯底材料
AlN晶體是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想襯底。與藍寶石或SiC襯底相比,AlN與GaN熱匹配和化學(xué)兼容性更高、襯底與外延層之間的應(yīng)力更小。因此,AlN晶體作為GaN外延襯底,可大幅度降低器件中的缺陷密度,提高器件的性能,在制備高溫、高頻、高功率電子器件方面有很好的應(yīng)用前景。
另外,用AlN晶體做高鋁(Al)組分的AlGaN外延材料襯底還可以有效降低氮化物外延層中的缺陷密度,極大地提高了氮化物半導(dǎo)體器件的性能和使用壽命?;贏lGaN的高質(zhì)量日盲探測器已經(jīng)獲得成功應(yīng)用。
5、應(yīng)用于陶瓷及耐火材料
氮化鋁可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷的燒結(jié),制備出來的氮化鋁陶瓷,不僅機械性能好,抗折強度高于Al2O3和BeO陶瓷,硬度高,還耐高溫耐腐蝕。利用AlN陶瓷耐熱、耐侵蝕性,可用于制作坩堝、Al蒸發(fā)皿等高溫耐蝕部件。
此外,純凈的AlN陶瓷為無色透明晶體,具有優(yōu)異的光學(xué)性能,可以用作透明陶瓷制造電子光學(xué)器件裝備的高溫紅外窗口和整流罩的耐熱涂層。
6、復(fù)合材料
環(huán)氧樹脂/AlN復(fù)合材料作為封裝材料,需要良好的導(dǎo)熱散熱能力,且這種要求愈發(fā)嚴(yán)苛。環(huán)氧樹脂作為一種有著很好的化學(xué)性能和力學(xué)穩(wěn)定性的高分子材料,它固化方便,收縮率低,但導(dǎo)熱能力不高。通過將導(dǎo)熱能力優(yōu)異的AlN納米顆粒添加到環(huán)氧樹脂中,可有效提高材的熱導(dǎo)率和強度。


氮化鋁產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的痛點

目前,氮化鋁也存在一些問題。
其一,易水解。
AlN粉體在潮濕的環(huán)境極易與水中羥基形成氫氧化鋁,在AlN粉體表面形成氧化鋁層,氧化鋁晶格溶入大量的氧,極大降低了AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。因此,抑制AlN粉末的水解至關(guān)重要,目前主要的應(yīng)對措施是:借助化學(xué)鍵或物理吸附作用,在AlN顆粒表面涂覆一種物質(zhì),使之與水隔離,從而避免其水解反應(yīng)的發(fā)生。目前抑制水解處理的方法主要有:表面化學(xué)改性和表面物理包覆。
其二,成本高。
氮化鋁粉體的價格高居不下,每公斤上千元的價格也在一定程度上限制了它的應(yīng)用。首先,制備氮化鋁粉末一般都需要較高的溫度(一般大于1500度以上),導(dǎo)致生產(chǎn)能耗過高,這也是高溫制備法的主要弊端。其次,AlN粉體的制備過程中,殘留的反應(yīng)物或生成的副產(chǎn)物,例如碳化還原反應(yīng)時過量的碳粉,或是化學(xué)氣相沉積法的副產(chǎn)物氯化氫,均增加額外的工序進行剔除以提純AlN,進一步增加了AlN粉體的成本。


相關(guān)資訊

4000-806-106

相關(guān)產(chǎn)品

4000-806-106