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氮化铝陶瓷
氮化铝呈六方晶系,纯AlN通常呈灰色或灰白色。氮化铝陶瓷作为一种综合性能优异的新型陶瓷材料,具有优良的导热性、可靠的电绝缘性、低介电常数和介电损耗、无毒且热膨胀系数与硅相匹配等一系列优良特性,被认为是新一代高集成度半导体基板和电子器件封装的理想材料。本文简要介绍了AlN材料的制备及应用。
此图来自网络。
制备方法
其制备过程与其他陶瓷材料基本相似,共有粉末合成、成型、烧结三个制备过程。
1. AlN粉末的制备
氮化铝粉末作为制备最终陶瓷制品的原料,对后续成品的导热性能、后续烧结成型工艺等具有重要影响,是最终产品性能优良的基石。氮化铝粉的合成方法如下:
(1)直接氮化法:在高温氮气气氛中,铝粉与氮气直接化合生成氮化铝粉末,反应温度一般为800℃~1200℃。
(2)碳热还原法:将氧化铝粉与调色剂的混合粉在流动的氮气中在高温(1400℃~1800℃)中进行氮化反应还原生成AlN粉。
(3)自蔓延高温合成法:该法是铝粉直接渗氮,充分利用铝粉直接渗氮发生强烈放热反应的特点,再利用铝与铝之间的高化学反应热氮自行维持反应并合成AlN。
(4)化学气相沉积法:利用铝的挥发性化合物与氮气或氨气反应,从气相中析出氮化铝粉末;根据选择铝源的不同,分为无机化学气相沉积法和有机化学气相沉积法。
2、AlN的成型工艺。
氮化铝粉末成型工艺有多种,成型、热压、等静压等传统成型工艺均适用。由于氮化铝粉末具有很强的亲水性,为减少氮化铝的氧化,在成型过程中应尽量避免与水接触。此外,热压和等静压虽然适用于制备高性能大块氮化铝陶瓷材料,但其成本高、生产效率低,无法满足电子行业对氮化铝陶瓷基板日益增长的需求。为了解决这个问题,近年来,人们采用浇注法形成氮化铝陶瓷基板。铸造法也成为电子工业用氮化铝陶瓷的基本主要成型工艺。
应用
1.基材
大多数陶瓷是具有强离子或共价键的材料,综合性能优良,是电子封装中常用的基板材料,具有高绝缘性能和优良的高频特性,线膨胀系数与电子元器件非常相似,并且化学性质非常稳定,导热系数高。 1985-1988年间,氮化铝在微电子封装材料中的应用出现。事实证明,大部分大功率混合集成电路的衬底材料长期以来一直使用氧化铝和氧化铍陶瓷,但氧化铝的基本导热系数较低,热膨胀系数与硅不太匹配;氧化铍虽然具有优良的综合性能,但其生产成本高、毒性大等缺点限制了其应用和推广。因此,从性能、成本和环保等方面考虑,两者已不能完全满足现代电子功率器件发展的需要。
2. 电子薄膜材料
电子薄膜材料是微电子技术和光电子技术的基础,因此对各种新型电子薄膜材料的研究成为众多研究人员的研究热点。氮化铝作为电子薄膜材料是在19世纪60年代被发现的,具有广泛的应用。近年来,以III族为代表的宽带隙半导体材料和电子器件。 A氮化物发展迅速,被誉为第三代以Si为代表的第一代半导体和以GaAs为代表的第二代半导体之后的半导体。 AlN,作为典型的III族。一氮化物,越来越受到国内外研究人员的关注。
3、坩埚的涂层
氮化铝的耐蚀性能被铝液浸润但不能与之反应,包括铜、锂、铀、铁等复合合金和一些超耐热合金;氮化铝对碳酸盐、低共熔混合物、氯化物、冰晶石等多种熔盐稳定。因此可制成坩埚或耐火材料的涂层。
氮化铝可用作真空蒸发和金属熔化的容器,特别适用于真空蒸发铝的坩埚,在真空中加热的AlN,虽然蒸气压低,但即使分解也不会污染铝。 AlN还可用作热电偶保护套,在空气中连续浸泡在800~1000℃的铝池中3000h以上无腐蚀破坏。在半导体工业中,用AlN坩埚代替石英坩埚合成砷化镓,可以完全消除Si对砷化镓的污染,得到高纯度的产品。
氮化铝的各种优良性能决定了它的多方面应用,作为压电薄膜得到了广泛的应用;作为电子器件和集成电路的封装、介质隔离和卷绕材料,具有重要的应用前景;作为蓝光和紫外发光材料,也是研究热点;作为一种高分子材料,可以用来固定模具、制作粘合剂、导热硅脂和散热垫……经过市场的进一步扩大和发展,氮化铝陶瓷材料的应用范围将越来越广泛。
本文转载自 CERADIR Advanced Material Online。
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