民用軍用一手抓：高性能氮化鋁材料應用大全

發布時間 | 2021-09-29 11:16 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 1791

碳化硅氮化鋁氧化鋁

導讀：?下圖中這種看似平平無奇的灰白色陶瓷粉體是現代電子應用領域中一種非常熱門的原材料——氮化鋁（AlN）。其商業應用的潛力源自于其擁有良好的抗氧化性、抗化學侵蝕性、抗熱震性、機械強度、低介電...

下圖中這種看似平平無奇的灰白色陶瓷粉體是現代電子應用領域中一種非常熱門的原材料——氮化鋁（AlN）。其商業應用的潛力源自于其擁有良好的抗氧化性、抗化學侵蝕性、抗熱震性、機械強度、低介電常數、與硅晶相近之熱膨脹系數以及高熱傳導系數等，因此在高功率的電子、光電、機械等應用領域備受矚目。

假若你不能很好地GET到氮化鋁潛力之大，那不妨看看下方它各方面性能的具體參數：

1.熱學性能

AlN的理論熱導率為320W/m·K，實際制備的多晶AlN的熱導率一般為100~260W/m·K，室溫熱導率為Al₂O₃的10~15倍，接近于BeO（理論熱導率為350W/m·K），而在溫度高于200℃時，導熱性能又好于氧化鈹;在25~400℃的范圍內，純AIN的熱膨脹系數為4.4×10^-⁶K^-1，與硅的熱膨脹系數（3.4×10^-⁶K^-1）相近。

2.電學性能

純AIN的室溫電陰率大于10¹⁴Ω·cm，是一種良好的絕緣材料；介電常數約為8.0（1MHz），與Al₂O₃相當；介電損耗為10^-⁴（1MHz），絕緣耐壓為14KV·mm^-¹，高的機電耦合系數（0.8%）、壓電性和親負產性。

3.力學性能

室溫下，致密的AIN陶瓷的維氏硬度為12GPa，莫氏硬度7~8，楊氏模量為308GPa，抗彎強度可達350MPa，強度隨溫度的上升而下降比較緩慢，1300℃高溫強度比室溫強度約降低20%，而熱壓Si₃N₄、Al₂O₃一般要降低50%。

4.化學性能

AIN具有優良的高溫抗腐蝕能力，不被鋁、銅、銀、鉛、鎳等多種金屬浸潤，也能在某些融鹽中如砷化鎵的融鹽中穩定存在；AIN具有強烈的吸濕性，極易與空氣中的水蒸氣反應;在空氣中，AIN的初始氧化溫度為700~800℃C。常壓下，AIN不會融化，而是在2260-2500℃C時發生熱分解。

5.其他性能

藍光和紫外光范圍具有透光性、良好的抗電磁輻射以及電子和離子轟擊能力、在所報道的相關材料中具有最高的表面聲波傳播速度等性能。

一項接一項，氮化鋁性能優勢之突出不必多言。不過要注意的是，氮化鋁的制程由粉體開始，經成型、燒結、加工處理等程序制成，制程中每一步驟與最終產品皆與起始原料氮化鋁粉體純度特性息息相關，故高純度氮化鋁粉體的開發對于未來電子產業關鍵原物料的掌握極為重要。

氮化鋁材料的應用

氮化鋁陶瓷因其多方面優異的性能，目前已經在多個民用和軍用領域得到了廠泛的應用，尤其5G時代、新能源汽車時代以及人工智能時代的來臨，更是讓氮化鋁陶瓷大展身手。

在民用領域，氮化鋁已經在集成電路、汽車、高鐵、電力、半導體等領域得到了廣泛應用，典型的如集成電路基板、IGBT控制模塊、晶圓加工用靜電吸盤、高功率LED散熱器等。同時它也適用于制作耐熱材料、薄膜材料、復合材料等。在軍用領域，氮化鋁已經在航空航天、國防武器、微波雷達等方面得到應用，典型的如船舶導航系統、導彈定位系統、地面雷達系統等等。

1.基板材料和封裝材料

隨著使用要求的提高，目前功率半導體器件需要同時具備高電壓、大電流、大功率密度、小尺寸等特點，因此產生的熱量十分可觀。為此功率集成電路中的基板材料必須要同時具有良好的機械可靠性以及較高的熱導率。

目前，封裝基板材料主要采用氧化鋁陶瓷或高分子材料，但隨著對電子零件的承載基板的要求越來越嚴格，它們的熱導率并不能滿足行業的需求，而AlN因具有良好的物理和化學性能，完全滿足現代電子功率器件發展的需要，逐步成了封裝材料的首要選擇。

氮化鋁基板

2.晶圓加工用靜電吸盤

現代半導體制造工藝中晶圓的加工過程有著多道工序，晶圓需要在幾百個工藝設備之間來回傳輸，因此需要一種設備對晶圓進行夾持。靜電吸盤可通過靜電吸附作用來固定晶圓，吸附作用力均勻且持續穩定，晶圓不會發生翹曲變形，可以保證晶圓的加工精度和潔凈程度。

目前普遍的靜電吸盤技術主要是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料。對于普通的硅晶圓加工，高純氧化鋁或藍寶石可以滿足要求，但若用在碳化硅晶圓加工，導熱性就有所不足了，必須要用氮化鋁才能達到要求。據聞，氮化鋁在半導體領域的應用在國外已成為氮化鋁陶瓷的主要市場，最高端的靜電吸盤甚至可以賣到幾十萬到上百萬人民幣，非常“吸金”。

3.高功率LED散熱器

LED是繼火、白熾燈、熒光燈后人類照明的第四次革命，得益于其各種優秀品質，LED受到了許多領域的青睞。但是LED使用上有個大問題就是“熱”，一旦散熱不及時就會有諸多不利影響，因此氮化鋁在這一塊的發展也得到了加速。比如說殺菌消毒市場上的深紫外LED，為了避免芯片性能降低甚至失效，目前市面上UVC-LED基本以倒裝芯片搭配高導熱氮化鋁陶瓷基板的方案為主。

深紫外LED封裝器件

4.耐熱材料

氮化鋁材料因其優異的絕緣性能和熱穩定性能，可用作高溫絕緣件。此外，氮化鋁與鋁、銅、銀、鉑等金屬和砷化鎵等半導體材料熔融液難以浸潤，適用于坩堝、熱電偶保護管以及燒結器具，也可用作腐蝕性物質的容器和處理器。

此外，氮化鋁對熔融鹽是非常穩定的，可期待作為高溫氣體透平以從磁流體發電（MHD）等耐蝕部件使用。由于氮化鋁在真空中蒸氣壓較低，高溫下不易揮發，所以可用作金等蒸發器。非氧化氣氛下直到2000℃下氮化鋁都非常穩定的，因此可作為在非氧化氣氛下使用的耐火材料的骨料來使用。

氮化鋁坩堝

5.薄膜材料

由于AlN帶隙寬、極化強，禁帶寬度為6.2eV，其制備的氮化鋁薄膜材料具有很多優異的物理化學性質，如高的擊穿場強、高熱導率、高電阻率、高化學和熱穩定性以及良好的光學及力學性能。高質量的AlN薄膜還具有極高的超聲傳輸速度、較小的聲波損耗、相當大的壓電耦合常數，與Si、GaAs相近的熱膨脹系數等特點，獨特的性質使它在機械、微電子、光學以及電子元器件、聲表面波器件制造和高頻寬帶通信等領域有著廣闊的應用前景。

氮化鋁薄膜作為紫外發光源

6.復合材料

憑借優良的熱力電綜合性能，氮化鋁可作為添加劑應用于復合材料的研制，如填充到有機高分子材料中制備高導熱的有機高分子復合材料，作為封裝材料使用；氮化鋁增強銅基復合材料具有高導熱、高強度和高溫強度，提高基體軟化溫度；氮化鋁和氮化鈦復合陶瓷結合了高硬度、氧化溫度高、耐磨性好以及高彈性模量的優點；氮化鋁和鋁的復合材料具有強度高、導熱性能好等優點，可作為需要優異散熱性能的結構材料。