氮化铝(Aluminum Nitride,AlN)是一种六方晶系钎锌矿型结构形态的共价键化合物。晶格常数 a = 0.3110 nm,c = 0.4978 nm。其中 Al 原子呈六方密堆,而 N 原子占据一半的四面体间隙位置;Al 原子与相邻的 N 原子形成畸变的 [AlN4] 四面体,沿 C 轴方向 Al-N 键长为 0.1917 nm,另外三个方向的 Al-N 键长为 0.1885 nm。纯净的 AlN 陶瓷无色透明,但由于混入杂质而呈现各种颜色,通常为灰色、灰白色或淡黄色。
氮化铝陶瓷,你了解多少?
图 氮化铝晶体结构
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氮化铝陶瓷,你了解多少?

1.氮化铝陶瓷的发展史

  • 1862年 —— F.Briegler 和 A.Geuther 于 1862 年发现氮化铝;
  • 1877 —— J.W.Mallets 首次合成了氮化铝。当时 AlN 曾作为一种固氮剂使用;
  • 1950s —— 出现氮化铝陶瓷材料。高温耐腐蚀性好,但致密度不高和强度低,作为耐火材料用于铝及铝合金等的熔炼;
  • 1970s 中后期 —— 制备出致密的氮化铝陶瓷。其优异的热学和电学性能引起广泛关注,相关研究加速发展;
  • 1990s 初期 —— 出现了高质量的氮化铝基片和封装材料,并且在日美等发达国家逐渐实现了产业化;
  • 至今 —— 氮化铝基板成为电子封装的常用材料,国内氮化铝陶瓷研究和产业化取得快速发展。

2.氮化铝的制备方法

氮化铝的制备技术主要有直接氮化法、碳化还原法、高能球磨法、高温自蔓延合成法、原位自反应合成法、溶胶凝胶法等。目前已实现工业化生产的制备技术主要有直接氮化法、碳热还原法,自蔓延法、原位合成法、化学气相沉积法正迈向工业化量产。

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制备方法

优点

缺点

优化措施

直接氮化法

原料来源丰富,工艺简单,无杂质产生,能耗低,适合大规模生产

产率低、粉体易结块、颗粒不规则、粒度分布宽,需次破碎和研磨

优化工艺;加入合适的添加剂

碳热还原法

原料丰富、工艺简单、粉体纯度高、粒径小且分布均匀

合成时间较长、氮化温度较高,且产物含有碳杂质需要清除,生产成本较高

提高氧化铝粉体与碳源的质量,采用小粒径、高纯度、高活性的原料,改进原料的混合工艺条件,使用键能更低的铝源和碳源为原料

高能球磨法

设备简单、生产效率高

在球磨过程中容易引入杂质,生产出的粉体质量较低

选用更耐磨的或者与产品成分相同的设备材质,减少杂质的引入,提高氮化铝粉体的质量。

高温自蔓延合成法

不需要外加热源,节能环保,生产成本低

反应剧烈,不易控制,易结块,需二次破碎和研磨,需在较高的氮气压力下进行

添加分散剂或添加剂;利用炭黑等惰性材料吸收反应热

等离子化学合成法

粉体比粒径小、表面积高、团聚少、粒度均匀,具有良好烧结性能

设备复杂昂贵、产量较低、单位颗粒形貌不规则、产品氧含量高、生产能耗高

改进生产设备,降低粉未中氧含量和金属杂质

化学气相沉积法

粉体纯度高、粒度小、较易实现粉体颗粒的纳米化、比表面积高

对设备要求较高且生产效率低,采用挥发性化合物的铝源会导致生产成本高,采用无机化合物的铝源会生成腐蚀性气体

-

溶胶-凝胶法

粉体粒度细小、纯度高

制备过程复杂,产品产量小,原料价格昂贵,成本高

-

原位自反应合成法

工艺简单,原料丰富,耗能较少,产品中氧含量较低

含有金属杂质,且难以除去,大幅降低绝缘性能

-

3.氮化铝的性能特点

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AlN 具有以下优异性能: 

1) 热学性能

单晶氮化铝的热导率理论值可达 320 W/(m·k),室温下其热导率是 Al2O3的数倍,与氧化铍的热导率(理论值为 350 W/(m∙k))相近,并且无毒无害。随着温度升高,氮化铝的导热性能会逐渐优 于氧化铍。在常温下氮化铝的热膨胀系数(4.5×10-6 ˚C)与硅的热膨胀系数(3.5~4×10-6 ˚C)接近。

2) 电学性能

常温下,氮化铝是优良的绝缘材料,其电阻率约为 10-16 Ω∙m 并且击穿电压可达到 15 kV/mm;氮化铝与氧化铝的介电常数相近,可达 8.9 F/m (1 MHz),氮化铝的介电损耗约为(3~10)×10-4 (1 MHz)。

3) 力学性能

常温下,氮化铝陶瓷硬度约为 12 GPa,密度理论值约为 3.26 g/cm³ ,杨氏模量为 308 GPa, 莫氏硬度为 7~8。氮化铝在 2200 ℃ 左右分解,室温下抗弯强度可达到 300 MPa。氮化铝的强度受温度的影响不大,如温度为 1300 ℃ 时,氮化铝的高温强度比室温下的强度降低约 20%,而氧化铝和氮化硅在高 温下下,其强度总体要减少 50% 。

4) 化学性能

氮化铝材料耐高温抗腐蚀,可以稳定存在于砷化镓等化合物的熔盐中,并且铝、铜、 镍等金属也无法浸润氮化铝材料。氮化铝开始发生氧化的温度约为 700 ℃~800 ℃,常温下使用氮化铝材料不用考虑器件被氧化的问题。氮化铝容易与空气中的水蒸气发生反应,因此需要在干燥阴凉处保存。

4.氮化铝的应用领域

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1) 封装散热基板

功率半导体器件、大规模集成电路、大功率器LED等封装基板、激光器热沉基板。

2) 半导体设备零部件

静电吸盘(ESC)、氮化铝加热盘(Heater)、陶瓷喷嘴、高温耐蚀部件等。

3) 导热填料

作为导热填料用于添加在树脂或塑料中,提高树脂或塑料的导热性能。

4) 半导体材料

AlN晶圆是高功率、高频电子器件及紫外探测器、紫外激光和深紫外LED等光电子器件的优异衬底材料。

5) 热交换器件

作为高温耐腐蚀、耐热冲击和热交换材料,用于船用燃气轮机的热交换器和内燃机的耐热部件。

6) 高温耐火材料

具有与铝、钙等金属不润湿等特性,可以用其作坩埚、炉衬、保护管、浇注模具等。

7) 光学部件

纯净的AlN陶瓷为无色透明晶体,具有优异的光学性能,可以用作制造电子光学器件装备的高温红外窗口及红外导流罩。

8) 压电薄膜

AlN薄膜具有优异的压电和声表面波特性,用于压电 MEMS传感器和致动器元件、声表面波器件(SAW)。

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原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):氮化铝陶瓷,你了解多少?

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作者 gan, lanjie