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氮化铝该如何更好地发挥自身潜力?
2021年04月27日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:148
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氮化铝(AlN)很能“导热”我们都知道,它在室温时理论导热率最高可达320W/(m·K),即使在实际应用中也能有200W/(m·K),足足是AlN陶瓷的8~10倍。同时由于AlN还是一种良好的绝缘材料,具有低的介电损耗,因此在微电子学中很受重视,是被寄予厚望的导热材料之一。

氮化铝陶瓷LED基片

不过,AlN虽然在微电子学领域中确实有着突出优势,但这不代表它能发挥作用的场合仅限于此,像航空航天、军事等工业领域,同样也很青睐于AlN的潜能并向它抛出橄榄枝。目前,AlN主要的应用方向有以下这些:

1、电器元件

随着电子产品的小型化,使集成电路(IC)和电子系统在半导体工业上也朝向高集成密度以及高功能化的方向发展,AlN陶瓷凭借优异的导热性能、低介电常数、与Si相匹配的热膨胀系数,逐步成为电子封装材料的首要选择,非常适合用于大规模集成电路的基板材料以及微波真空管封装壳体材料。

2、耐热冲击材料

AlN材料具有优秀的高温力学性能和高温稳定性。在非氧化的氛围下直到2000℃依旧可以保持较好的化学稳定性,因而是一种优良的耐热冲材料及热交换材料,可作为高温容器的涂层或者炉衬,也可以作为GaAs晶体坩埚、Al蒸发皿或者烧结用具等,以及用于燃气轮机的热交换器上。

3、薄膜材料和光学功能材料

AlN的带隙宽,极化强,禁带宽度为6.2 eV,且在蓝光和紫外光的范围内具有透光性、抗电磁辐射等性能,因而在声、光电子领域也有广阔的应用前景,如压电材料,发光薄膜,紫外光的感应元件等。高纯度的AlN陶瓷呈透明状,利用其光学性能可以制作红外导流罩,雷达透过材料等。

4、复合材料

充分和用AIN材料的优点,有效的抑制其不利因素。将其与其它材料进行复合从而拓宽应用。如将AlN/BN进行复合,用作微波材料,或者将AlN/TiN进行复合用作刀具材料等。

5、其它应用材料

利用AlN高热导的优点,可以将其作为填料加入到我们常见的材料中,如钢铁、橡胶、塑料等增加其热导率。此外,AlN硬度高,超过传统氧化铝,利用该特性也可作为研磨材料或者耐磨损零件等,但由于造价高,一般只用于磨损严重的部位。

氮化铝粉体

由于氮化铝应用广泛,因此我国对于氮化铝粉体的需求也在不断增加,尤其是氮化铝陶瓷基板,更是业界瞩目的焦点。不过前景虽然美好,但若没有良好的基础——即高品质的粉体作为原料,氮化铝基板的优势就不能完全发挥出来,继而影响相关产业的发展。

高品质氮化铝粉体的制备要点

对于AlN陶瓷材料而言,原始AlN粉末的技术指标会直接影响AlN陶瓷材料的综合性能,尤其是 AlN最有价值的特性——导热性。因此业界一般认为,要获得性能优良的AlN陶瓷材料,必须首先制备出高纯度、细粒度、窄粒度分布、性能稳定的AlN粉末。而在该过程中,主要的影响因素有:氧及其它杂质的含量、烧结的致密度、显微结构等。

1、氧含量及其它杂质的影响

AlN对氧有很强的亲和力。当AlN颗粒暴露于空气中时,颗粒表面往往会自发形成Al2O3,部分氧还会固溶进入AlN晶格,从而形成铝空位。

在上式中,VA表示铝空位。由于铝空位会散射声子,使声子的散射截面增大,损害热导率。因此,为了增加其热导率,就必须严格的控制氧元素的含量。通常对氧含量的要求是小于1wt%。

氧以外的其它杂质也会固溶在AlN晶格中,导致AlN产生缺陷,严重降低热导率。一般情况下,AlN粉体中包含Fe、Mg、Ca等金属杂质的总含量需不超过500 ppm,非金属杂质,包含Si、C等的总含量应低于0.1 wt%。

2、粒径大小的影响

致密度不高的材料热导率也不会高。为了获得高致密度的AlN陶瓷,一般采取的方法有使用超细粉、改善烧结方式、引入烧结助剂等因此AlN粉末粒径的大小会直接影响到AlN陶瓷烧结的致密度。

氮化铝陶瓷的显微晶相

在烧结过程中,AlN粉体颗粒在粘合作用下相互靠拢,键合,重排,最终相互融合长大成为大晶粒。这些连续均匀的晶粒会为声子的传播提供更加直接的通道,从而增强AlN陶瓷的热导率。超细AlN粉末由于其高的比表面积,会在烧结的过程中增加烧结的推动力,加速烧结的过程。此外,粉末的尺寸变小也就意味着物质的扩散距离变短,高温下有利干液相物质的生成,极大地加强了流动传质作用。

由于AlN自扩散系数小,烧结非常困难。只有使用纯度高的超细粉,才可以在烧结的过程中尽可能的减少气孔的出现,保持高致密度。因此,工业上一般要求超细AlN粉末的D50尺寸尽可能的保持在1~1.5μm左右且粒度均匀。

3、颗粒形状的影响

相较于颗粒尺寸对AlN陶瓷的影响,颗粒的形貌对其的影响主要集中在粉体的流动性以及填充率的增加上。球形粉体与其他形状相比具备更好的流动性,而且填充率也更高,意味着热膨胀系数就越小,热导率越高。相较于其它形状来说,球形粉体制成的封装材料应力集中小、强度高。而且球形粉体摩擦系数小,对模具的磨损小,可延长模具的使用寿命,提高经济效益。

资料来源:

适合于导热基板用AlN粉体的制备与表征,马丁。

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