1.氮化铝热导性绝缘性出众,其热膨胀系数与硅相匹配
氮化铝因出众的热导性及与硅相匹配的热膨胀系数,成为电子领域备受关注的 材料。氮化铝是一种六方晶系钎锌矿型结构形态的共价键化合物,其具有一系列优 良特性,包括优良的热导性、可靠的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、无毒以及 与硅相匹配的热膨胀系数等。它既是新一代散热基板和电子器件封装的理想材料,也 可用于热交换器、压电陶瓷及薄膜、导热填料等,应用前景广阔。 AlN 的晶体结构决定了其出色的热导性和绝缘性。根据《氮化铝陶瓷的流延成型 及烧结体性能研究》的研究中提到,由于组成 AlN 分子的两种元素的原子量小,晶体 结构较为简单,简谐性好,形成的 Al-N 键键长短,键能大,而且共价键的共振有利 于声子传热机制,使得 AlN 材料具备优异于一般非金属材料的热传导性,此外 AlN 具 备高熔点、高硬度以及较高的热导率,和较好的介电性能。
AlN 相较其他陶瓷材料,与硅相匹配的热膨胀系数,加上优秀的热导性,更有利 于应用于电子产业。根据《AlN 陶瓷热导率及抗弯强度影响因素研究的新进展》的研 究中提到,AlN 因其热膨胀系数与 Si 匹配度高而被广泛关注,而传统的基板材料如 Al2O3 由于其热导率低,其值约为 AlN 陶瓷的 1/5 且线膨胀系数与 Si 不匹配,已经不 能够满足实际需求。BeO 与 SiC 陶瓷基板的热导率也相对较高,但 BeO 毒性高,SiC 绝缘性不好。而 AlN 作为一种新型高导热陶瓷材料,具有热膨胀系数与 Si 接近、散 热性能优良、无毒等特性,有望成为替代电子工业用陶瓷基板 Al2O3、SiC 和 BeO 的 极佳材料。
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2.半导体与新能源市场激发 AlN 需求增长
氮化铝陶瓷因其多方面优异的性能,目前已经在多个民用和军用领域得到了广 泛的应用。5G 时代、新能源汽车时代以及人工智能时代的来临,使氮化铝陶瓷需求 更多。
AlN 应用广泛,因出色的热导性成为新一代散热基板和电子器件封装的理想材料。 根据艾邦陶瓷展的信息,AlN 还可用于热交换器、坩埚、保护管、浇注模具、压电陶 瓷及薄膜、导热填料等。
1. 散热基板及电子器件封装
散热基板及电子器件封装是 AlN 陶瓷的主要应用。氮化铝陶瓷具有优异的导热性 能,热胀系数接近硅,机械强度高,化学稳定性好而且环保无毒,被认为是新一代散 热基板和电子器件封装的理想材料,非常适合于混合功率开关的封装以及微波真空管 封装壳体材料,同时也是大规模集成电路基片的理想材料。
2. 结构陶瓷
晶圆加工用静电吸盘就是常见的结构陶瓷应用。氮化铝结构陶瓷的机械性能好, 硬度高,韧性好于 Al2O3 陶瓷,并且耐高温耐腐蚀。利用 AIN 陶瓷耐热耐侵蚀性,可 用于制作坩埚、Al 蒸发皿、半导体静电卡盘等高温耐蚀部件。
3. 功能材料
氮化铝可用于制造能够在高温或者存在一定辐射的场景下使用的高频大功率器件, 如高功率电子器件、高密度固态存储器等。作为第三代半导体材料之一的氮化铝,具 有宽带隙、高热导率、高电阻率、良好的紫外透过率、高击穿场强等优良性能。 AlN 的禁带宽度为 6.2 eV,极化作用较强,在机械、微电子、光学以及声表面波 器件(SAW)制造、高频宽带通信等领域都有应用,如氮化铝压电陶瓷及薄膜等。另外, 高纯度的 AlN 陶瓷是透明的,具有优良的光学性能,再结合其电学性能,可制作红外 导流罩、传感器等功能器件。
4.惰性耐热材料
AlN 作为耐热材料可用其作坩埚、保护管、浇注模具等。氮化铝可在 2000℃非氧 化气氛下,仍具有稳定的性能,是一种优良的高温耐火材料,抗熔融金属侵蚀的能力 强。