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有一種陶瓷粉體,其純凈晶體室溫?zé)釋?dǎo)率高達(dá)320W/(m·k),熱壓燒制的基片熱導(dǎo)率可達(dá)150W/(m·K),為Al2O3的5倍以上,且與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配良好。這種粉體就是本篇主角——氮化鋁(AIN)粉

年產(chǎn)不足1萬噸!這種高性能陶瓷粉體,我國高度依賴進(jìn)口

氮化鋁粉體 圖源自德山官網(wǎng)

AIN氮化鋁陶瓷作為一種綜合性能優(yōu)良的新型陶瓷材料,因其氮化鋁陶瓷具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性,可靠的電絕緣性,低的介電常數(shù)和介電損耗,無毒以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特性,被認(rèn)為是新一代高集成度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料。氮化鋁陶瓷可做成氮化鋁陶瓷基板,被廣泛應(yīng)用到散熱需求較高的領(lǐng)域,比如大功率LED模組,半導(dǎo)體等領(lǐng)域。


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高性能氮化鋁粉體是制備高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷基片的關(guān)鍵,目前國外氮化鋁粉制造工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟,商品化程度也很高。但掌握高性能氮化鋁粉生產(chǎn)技術(shù)的廠家并不多,主要分布在日本、德國和美國。


氮化鋁粉末作為制備最終陶瓷成品的原料,其純度、粒度、氧含量以及其它雜質(zhì)的含量都對后續(xù)成品的熱導(dǎo)性能、后續(xù)燒結(jié),成型工藝有重要影響,是最終成品性能優(yōu)異與否的基石。

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氮化鋁SEM圖源自網(wǎng)絡(luò)

氮化鋁的粉體制備合成主要有直接氮化法、碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體法以及Al2O3粉碳熱還原法等。

氮化鋁粉體的合成方法

直接氮化法


在高溫氮?dú)夥諊?,鋁粉直接與氮?dú)饣仙a(chǎn)氮化鋁粉末,反應(yīng)溫度一般在800℃~1200℃。反應(yīng)式為:2Al+N2→2AlN。

該方法的缺點(diǎn)很明顯,在反應(yīng)初期,鋁粉顆粒表面會逐漸生成氮化物膜,使氮?dú)怆y以進(jìn)一步滲透,阻礙氮?dú)夥磻?yīng),致使產(chǎn)率較低;又由于鋁和氮?dú)庵g的反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng),速度很快,造成AlN粉體自燒結(jié),形成團(tuán)聚,使得粉體顆粒粗化。

碳熱還原法


將氧化鋁粉末和碳粉的混合粉末在高溫下(1400℃~1800℃)的流動氮?dú)庵邪l(fā)生還原氮化反應(yīng)生成AlN粉末。其反應(yīng)式為:Al2O3+3C+N2→2AlN+3CO。

該方法的主要難點(diǎn)在于,對氧化鋁和碳的原料要求比較高,原料難以混合均勻,氮化溫度較高,合成時(shí)間較長,而且還需對過量的碳進(jìn)行除碳處理,工藝復(fù)雜,制備成本較高。

自蔓延高溫合成法


該方法為鋁粉的直接氮化,充分利用了鋁粉直接氮化為強(qiáng)放熱反應(yīng)的特點(diǎn),將鋁粉于氮?dú)庵悬c(diǎn)然后,利用鋁和氮?dú)庵g的高化學(xué)反應(yīng)熱使反應(yīng)自行維持下去,合成AlN。其反應(yīng)式與Al粉直接氮化法相同,即為2Al+N2→2AlN。

化學(xué)氣相沉積法


利用鋁的揮發(fā)性化合物與氮?dú)饣虬睔夥磻?yīng),從氣相中沉淀析出氮化鋁粉末;根據(jù)選擇鋁源的不同,分為無機(jī)物(鹵化鋁)和有機(jī)物(烷基鋁)化學(xué)氣相沉積法。

該工藝存在對設(shè)備要求較高,生產(chǎn)效率低,采用烷基鋁為原料會導(dǎo)致成本較高,而采用無機(jī)鋁為原料則會生成腐蝕性氣體,所以目前還難以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

等離子體法


等離子體法是合成納米級AlN粉體的先進(jìn)工藝,其原理是將鋁粉通過氣體送入等離子體反應(yīng)器中,鋁粉在高溫等離子體環(huán)境下快速升溫、熔融、氣化形成鋁蒸氣,鋁蒸氣再與高能量的氮離子反應(yīng)生成AlN納米顆粒。
 
該工藝存在設(shè)備要求高、產(chǎn)品產(chǎn)量低、單顆粒形貌不規(guī)則、難以得到低氧含量粉體等問題,所以目前該工藝制備AlN粉體還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

氮化鋁粉體制備技術(shù)發(fā)展趨勢

AlN粉體作為一種性能優(yōu)異的粉體原料,國內(nèi)外研究者通過不斷的科技創(chuàng)新來解決現(xiàn)有工藝存在的技術(shù)問題,同時(shí)也在不斷探索新的、更高效的制備技術(shù)。在微米級AlN粉體合成方面,目前最主要的工藝仍是碳熱還原法和直接氮化法,這兩種工藝具有技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、得到產(chǎn)品質(zhì)量好等特點(diǎn),已在工業(yè)中得到大規(guī)模應(yīng)用。

獲得更高純度、粒度可控、形貌均勻分散的高性能粉體是AlN制備技術(shù)的發(fā)展方向,針對不同應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)開發(fā)多種規(guī)格的粉體,以滿足導(dǎo)熱陶瓷基板、AlN單晶半導(dǎo)體、高純靶材、導(dǎo)熱填料等領(lǐng)域?qū)lN粉體原料的要求。同時(shí),在生產(chǎn)中也需要對現(xiàn)有技術(shù)及裝備進(jìn)行不斷優(yōu)化,進(jìn)一步提高產(chǎn)品的批次穩(wěn)定性,增加產(chǎn)出效率,降低生產(chǎn)成本。


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作者 ab

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