合化工實驗室
近幾年，碳化硅作為一種無機(jī)資料，其熱度可與“半導(dǎo)體”、低溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷技能發(fā)展與使用“芯片”、“集成電路”等混為一談，它除了是制造芯片的戰(zhàn)略性半導(dǎo)體資料外，因其獨有的特性和優(yōu)勢遭到其它許多行業(yè)的青睞，可謂是一種明星資料。
氮化鋁資料
隨著集成電路成為了國家戰(zhàn)略性工業(yè)，除碳化硅以外，許多半導(dǎo)體資料得以被研討開發(fā)，氮化鋁無疑是其中最具有發(fā)展前景的半導(dǎo)體資料之一。在離將于2021年8月在河南鄭州舉辦“2021第四屆新式陶瓷技能與工業(yè)高峰論壇”不足4個月之際，我國粉體網(wǎng)開啟了“粉體行業(yè)巡回調(diào)研”行動。在造訪過程中，咱們了解到許多企業(yè)都意識到氮化鋁是一個研討熱點，也將是一個市場熱點，所以部分企業(yè)對此早有布置。今天咱們就來了解一下氮化鋁蘊藏著怎樣的魅力。
氮化鋁的研討前史
氮化鋁是一種綜合功能優(yōu)秀的陶瓷資料，對其研討能夠追溯到一百多年前，它是由F.Birgeler和A.Geuhter在1862年發(fā)現(xiàn)的，并于1877年由J.W.MalletS初次組成了氮化鋁，但在隨后的100多年并沒有什么實際使用，其時僅將其作為一種固氮劑用作化肥。
因為氮化鋁是共價化合物，自擴(kuò)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，人們才初次成功制得氮化鋁陶瓷，并作為耐火資料使用于純鐵、鋁以及鋁合金的熔煉。自20世紀(jì)70年代以來，隨著研討的不斷深入，氮化鋁的制備工藝日趨老練，其使用規(guī)模也不斷擴(kuò)大。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著微電子技能的飛速發(fā)展，電子整機(jī)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資料的散熱提出了更高要求，進(jìn)一步促進(jìn)了氮化鋁工業(yè)的蓬勃發(fā)展。
氮化鋁特征
1、結(jié)構(gòu)特征
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(lán)白色，通常為灰色或灰白色，是典型的III-Ⅴ族寬禁帶半導(dǎo)體資料。
氮化鋁化學(xué)結(jié)構(gòu)
2、功能特征
氮化鋁(AlN)具有高強(qiáng)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，不但用作結(jié)構(gòu)陶瓷的燒結(jié)助劑或增強(qiáng)相，尤其是在近年來大火的陶瓷電子基板和封裝資料領(lǐng)域，其功能遠(yuǎn)超氧化鋁。
3、功能參數(shù)
表：氮化鋁首要功能參數(shù)
由以上數(shù)據(jù)能夠看到，與其它幾種陶瓷資料相比較，氮化鋁陶瓷綜合功能優(yōu)秀，十分適用于半導(dǎo)體基片和結(jié)構(gòu)封裝資料，在電子工業(yè)中的使用潛力十分巨大。
氮化鋁的導(dǎo)熱機(jī)理
在氮化鋁一系列重要的性質(zhì)中，最為明顯的是高的熱導(dǎo)率。關(guān)于氮化鋁的導(dǎo)熱機(jī)理，國內(nèi)外已做了大量的研討，并已構(gòu)成了較為完善的理論體系。首要機(jī)理為：經(jīng)過點陣或晶格振蕩，即憑借晶格波或熱波進(jìn)行熱的傳遞。量子力學(xué)的研討結(jié)果告知咱們，晶格波能夠作為一種粒子——聲子的運動來處理。熱波相同具有波粒二象性。載熱聲子經(jīng)過結(jié)構(gòu)基元(原子、離子或分子)間進(jìn)行彼此制約、彼此協(xié)調(diào)的振蕩來實現(xiàn)熱的傳遞。假如晶體為具有徹底理想結(jié)構(gòu)的非彈性體，則熱能夠自在的由晶體的熱端不受任何干擾和散射向冷端傳遞，熱導(dǎo)率能夠到達(dá)很高的數(shù)值。其熱導(dǎo)率首要由晶體缺陷和聲子本身對聲子散射操控。
理論上AlN熱導(dǎo)率可達(dá)320W·m-1·K-1，但因為AlN中的雜質(zhì)和缺陷造成實際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率還不到200W·m-1·K-1。這首要是因為晶體內(nèi)的結(jié)構(gòu)基元都不可能有徹底嚴(yán)厲的均勻散布，總是存在稀少稠密的不同區(qū)域，所以載流聲子在傳達(dá)過程中，總會遭到干擾和散射。
氮化鋁粉體的制備工藝
氮化鋁粉體的制備工藝首要有直接氮化法和碳熱還原法，此外還有自蔓延組成法、高能球磨法、原位自反響組成法、等離子化學(xué)組成法及化學(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)反響式為2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)，反響溫度在800℃-1200℃。
其長處是工藝簡略，成本較低，合適工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。其缺陷是鋁粉表面有氮化物發(fā)生，導(dǎo)致氮氣不能浸透，轉(zhuǎn)化率低；反響速度快，反響過程難以操控；反響釋放出的熱量會導(dǎo)致粉體發(fā)生自燒結(jié)而構(gòu)成聚會，然后使得粉體顆粒粗化，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反響生成AlN，其化學(xué)反響式為：
Al2O3(s)+3C(s)+N2(g)→2AlN(s)+3CO(g)
其長處是原料豐厚，工藝簡略；粉體純度高，粒徑小且散布均勻。其缺陷是組成時間長，氮化溫度較高，反響后還需對過量的碳進(jìn)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，使用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動或振蕩，使硬質(zhì)球?qū)ρ趸X或鋁粉等原料進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌，然后直接氮化生成氮化鋁粉體的方法。
其長處是：高能球磨法具有設(shè)備簡略、工藝流程短、生產(chǎn)效率高等長處。其缺陷是：氮化難以徹底，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。