1.氮化鋁陶瓷的發(fā)展史
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1862年 —— F.Briegler 和 A.Geuther 于 1862 年發(fā)現(xiàn)氮化鋁； -
1877 —— J.W.Mallets 首次合成了氮化鋁。當(dāng)時 AlN 曾作為一種固氮劑使用； -
1950s ——?出現(xiàn)氮化鋁陶瓷材料。高溫耐腐蝕性好，但致密度不高和強度低，作為耐火材料用于鋁及鋁合金等的熔煉； -
1970s 中后期 ——?制備出致密的氮化鋁陶瓷。其優(yōu)異的熱學(xué)和電學(xué)性能引起廣泛關(guān)注，相關(guān)研究加速發(fā)展； -
1990s 初期 ——?出現(xiàn)了高質(zhì)量的氮化鋁基片和封裝材料，并且在日美等發(fā)達國家逐漸實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化； -
至今 ——?氮化鋁基板成為電子封裝的常用材料，國內(nèi)氮化鋁陶瓷研究和產(chǎn)業(yè)化取得快速發(fā)展。
2.氮化鋁的制備方法
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制備方法 |
優(yōu)點 |
缺點 |
優(yōu)化措施 |
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直接氮化法 |
原料來源豐富，工藝簡單，無雜質(zhì)產(chǎn)生，能耗低，適合大規(guī)模生產(chǎn) |
產(chǎn)率低、粉體易結(jié)塊、顆粒不規(guī)則、粒度分布寬，需次破碎和研磨 |
優(yōu)化工藝；加入合適的添加劑 |
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碳熱還原法 |
原料豐富、工藝簡單、粉體純度高、粒徑小且分布均勻 |
合成時間較長、氮化溫度較高，且產(chǎn)物含有碳雜質(zhì)需要清除，生產(chǎn)成本較高 |
提高氧化鋁粉體與碳源的質(zhì)量，采用小粒徑、高純度、高活性的原料，改進原料的混合工藝條件，使用鍵能更低的鋁源和碳源為原料 |
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高能球磨法 |
設(shè)備簡單、生產(chǎn)效率高 |
在球磨過程中容易引入雜質(zhì)，生產(chǎn)出的粉體質(zhì)量較低 |
選用更耐磨的或者與產(chǎn)品成分相同的設(shè)備材質(zhì)，減少雜質(zhì)的引入，提高氮化鋁粉體的質(zhì)量。 |
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高溫自蔓延合成法 |
不需要外加熱源，節(jié)能環(huán)保，生產(chǎn)成本低 |
反應(yīng)劇烈，不易控制，易結(jié)塊，需二次破碎和研磨，需在較高的氮氣壓力下進行 |
添加分散劑或添加劑；利用炭黑等惰性材料吸收反應(yīng)熱 |
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等離子化學(xué)合成法 |
粉體比粒徑小、表面積高、團聚少、粒度均勻，具有良好燒結(jié)性能 |
設(shè)備復(fù)雜昂貴、產(chǎn)量較低、單位顆粒形貌不規(guī)則、產(chǎn)品氧含量高、生產(chǎn)能耗高 |
改進生產(chǎn)設(shè)備，降低粉未中氧含量和金屬雜質(zhì) |
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化學(xué)氣相沉積法 |
粉體純度高、粒度小、較易實現(xiàn)粉體顆粒的納米化、比表面積高 |
對設(shè)備要求較高且生產(chǎn)效率低，采用揮發(fā)性化合物的鋁源會導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，采用無機化合物的鋁源會生成腐蝕性氣體 |
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溶膠-凝膠法 |
粉體粒度細小、純度高 |
制備過程復(fù)雜，產(chǎn)品產(chǎn)量小，原料價格昂貴，成本高 |
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原位自反應(yīng)合成法 |
工藝簡單，原料豐富，耗能較少，產(chǎn)品中氧含量較低 |
含有金屬雜質(zhì)，且難以除去，大幅降低絕緣性能 |
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AlN 具有以下優(yōu)異性能：?
1) 熱學(xué)性能
單晶氮化鋁的熱導(dǎo)率理論值可達 320 W/(m·k)，室溫下其熱導(dǎo)率是 Al2O3的數(shù)倍，與氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率(理論值為 350 W/(m?k))相近，并且無毒無害。隨著溫度升高，氮化鋁的導(dǎo)熱性能會逐漸優(yōu) 于氧化鈹。在常溫下氮化鋁的熱膨脹系數(shù)(4.5×10-6??C)與硅的熱膨脹系數(shù)(3.5~4×10-6??C)接近。
2) 電學(xué)性能
常溫下，氮化鋁是優(yōu)良的絕緣材料，其電阻率約為?10-16?Ω?m 并且擊穿電壓可達到 15 kV/mm；氮化鋁與氧化鋁的介電常數(shù)相近，可達 8.9 F/m (1 MHz)，氮化鋁的介電損耗約為(3~10)×10-4?(1 MHz)。
3) 力學(xué)性能
常溫下，氮化鋁陶瓷硬度約為 12 GPa，密度理論值約為 3.26 g/cm3 ，楊氏模量為 308 GPa， 莫氏硬度為 7~8。氮化鋁在 2200 ℃ 左右分解，室溫下抗彎強度可達到 300 MPa。氮化鋁的強度受溫度的影響不大，如溫度為 1300 ℃ 時，氮化鋁的高溫強度比室溫下的強度降低約 20%，而氧化鋁和氮化硅在高 溫下下，其強度總體要減少 50% 。
4) 化學(xué)性能
氮化鋁材料耐高溫抗腐蝕，可以穩(wěn)定存在于砷化鎵等化合物的熔鹽中，并且鋁、銅、 鎳等金屬也無法浸潤氮化鋁材料。氮化鋁開始發(fā)生氧化的溫度約為 700 ℃~800 ℃，常溫下使用氮化鋁材料不用考慮器件被氧化的問題。氮化鋁容易與空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，因此需要在干燥陰涼處保存。
4.氮化鋁的應(yīng)用領(lǐng)域
1) 封裝散熱基板
功率半導(dǎo)體器件、大規(guī)模集成電路、大功率器LED等封裝基板、激光器熱沉基板。
2)?半導(dǎo)體設(shè)備零部件
靜電吸盤（ESC）、氮化鋁加熱盤（Heater）、陶瓷噴嘴、高溫耐蝕部件等。
3)?導(dǎo)熱填料
作為導(dǎo)熱填料用于添加在樹脂或塑料中，提高樹脂或塑料的導(dǎo)熱性能。
4) 半導(dǎo)體材料
AlN晶圓是高功率、高頻電子器件及紫外探測器、紫外激光和深紫外LED等光電子器件的優(yōu)異襯底材料。
5) 熱交換器件
作為高溫耐腐蝕、耐熱沖擊和熱交換材料，用于船用燃氣輪機的熱交換器和內(nèi)燃機的耐熱部件。
6)?高溫耐火材料
具有與鋁、鈣等金屬不潤濕等特性，可以用其作坩堝、爐襯、保護管、澆注模具等。
7)?光學(xué)部件
純凈的AlN陶瓷為無色透明晶體，具有優(yōu)異的光學(xué)性能，可以用作制造電子光學(xué)器件裝備的高溫紅外窗口及紅外導(dǎo)流罩。
8) 壓電薄膜
AlN薄膜具有優(yōu)異的壓電和聲表面波特性，用于壓電 MEMS傳感器和致動器元件、聲表面波器件(SAW)。
第七屆精密陶瓷暨功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會
2025年8月26日-28日
深圳國際會展中心7號館
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