中國粉體網(wǎng)訊  近幾年,，碳化硅作為一種無機材料,，其熱度可與“半導(dǎo)體”,、“芯片”、“集成電路”等相提并論,，它除了是制造芯片的戰(zhàn)略性半導(dǎo)體材料外,，因其獨有的特性和優(yōu)勢受到其它眾多行業(yè)的青睞，可謂是一種明星材料,。

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隨著集成電路成為了國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),，除碳化硅以外，很多半導(dǎo)體材料得以被研究開發(fā),，氮化鋁無疑是其中最具有發(fā)展前景的半導(dǎo)體材料之一,。在離將于2021年8月在河南鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”不足4個月之際,，中國粉體網(wǎng)開啟了“粉體行業(yè)巡回調(diào)研”行動,。在走訪過程中，我們了解到眾多企業(yè)都意識到氮化鋁是一個研究熱點,，也將是一個市場熱點,，所以部分企業(yè)對此早有部署。今天我們就來了解一下氮化鋁蘊藏著怎樣的魅力,。

氮化鋁的研究歷史

氮化鋁是一種綜合性能優(yōu)良的陶瓷材料,，對其研究可以追溯到一百多年前，它是由F.Birgeler和A.Geuhter在1862年發(fā)現(xiàn)的,，并于1877年由J.W.MalletS首次合成了氮化鋁,，但在隨后的100多年并沒有什么實際應(yīng)用，當(dāng)時僅將其作為一種固氮劑用作化肥,。

由于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，人們才首次成功制得氮化鋁陶瓷,，并作為耐火材料應(yīng)用于純鐵,、鋁以及鋁合金的熔煉。自20世紀(jì)70年代以來,，隨著研究的不斷深入,，氮化鋁的制備工藝日趨成熟，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大,。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來,，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子整機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材料的散熱提出了更高要求,，進(jìn)一步促進(jìn)了氮化鋁產(chǎn)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)體材料。

2,、性能特征

氮化鋁(AlN)具有高強度,、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)助劑或增強相,，尤其是在近年來大火的陶瓷電子基板和封裝材料領(lǐng)域,，其性能遠(yuǎn)超氧化鋁。

3,、性能參數(shù)

表：氮化鋁主要性能參數(shù)

由以上數(shù)據(jù)可以看到,，與其它幾種陶瓷材料相比較，氮化鋁陶瓷綜合性能優(yōu)良,，非常適用于半導(dǎo)體基片和結(jié)構(gòu)封裝材料,，在電子工業(yè)中的應(yīng)用潛力非常巨大。

氮化鋁的導(dǎo)熱機理

在氮化鋁一系列重要的性質(zhì)中,，最為顯著的是高的熱導(dǎo)率,。關(guān)于氮化鋁的導(dǎo)熱機理，國內(nèi)外已做了大量的研究,，并已形成了較為完善的理論體系,。主要機理為：通過點陣或晶格振動，即借助晶格波或熱波進(jìn)行熱的傳遞,。量子力學(xué)的研究結(jié)果告訴我們,，晶格波可以作為一種粒子——聲子的運動來處理。熱波同樣具有波粒二象性,。載熱聲子通過結(jié)構(gòu)基元(原子,、離子或分子)間進(jìn)行相互制約、相互協(xié)調(diào)的振動來實現(xiàn)熱的傳遞,。如果晶體為具有完全理想結(jié)構(gòu)的非彈性體,，則熱可以自由的由晶體的熱端不受任何干擾和散射向冷端傳遞,，熱導(dǎo)率可以達(dá)到很高的數(shù)值。其熱導(dǎo)率主要由晶體缺陷和聲子自身對聲子散射控制,。

理論上AlN熱導(dǎo)率可達(dá)320W·m^-1·K^-1,，但由于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。這主要是由于晶體內(nèi)的結(jié)構(gòu)基元都不可能有完全嚴(yán)格的均勻分布,，總是存在稀疏稠密的不同區(qū)域,，所以載流聲子在傳播過程中，總會受到干擾和散射,。

氮化鋁粉體的制備工藝

氮化鋁粉體的制備工藝主要有直接氮化法和碳熱還原法,，此外還有自蔓延合成法、高能球磨法,、原位自反應(yīng)合成法,、等離子化學(xué)合成法及化學(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)反應(yīng)式為2Al(s)+N₂(g)→2AlN(s),，反應(yīng)溫度在800℃-1200℃。

其優(yōu)點是工藝簡單,，成本較低,，適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。其缺點是鋁粉表面有氮化物產(chǎn)生,，導(dǎo)致氮氣不能滲透,，轉(zhuǎn)化率低；反應(yīng)速度快,，反應(yīng)過程難以控制,；反應(yīng)釋放出的熱量會導(dǎo)致粉體產(chǎn)生自燒結(jié)而形成團(tuán)聚，從而使得粉體顆粒粗化,，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反應(yīng)生成AlN,，其化學(xué)反應(yīng)式為：

Al₂O₃(s)+3C(s)+N₂(g)→2AlN(s)+3CO(g)

其優(yōu)點是原料豐富,，工藝簡單；粉體純度高,，粒徑小且分布均勻,。其缺點是合成時間長,，氮化溫度較高，反應(yīng)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,，利用球磨機的轉(zhuǎn)動或振動,，使硬質(zhì)球?qū)ρ趸�鋁或鋁粉等原料進(jìn)行強烈的撞擊、研磨和攪拌,，從而直接氮化生成氮化鋁粉體的方法,。

其優(yōu)點是：高能球磨法具有設(shè)備簡單、工藝流程短,、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點,。其缺點是：氮化難以完全，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,。

4、高溫自蔓延合成法

高溫自蔓延合成法是直接氮化法的衍生方法,，它是將Al粉在高壓氮氣中點燃后,，利用Al和N₂反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使反應(yīng)自動維持，直到反應(yīng)完全,，其化學(xué)反應(yīng)式為：

2Al(s)+N₂(g)→2AlN(s)

其優(yōu)點是高溫自蔓延合成法的本質(zhì)與鋁粉直接氮化法相同,，但該法不需要在高溫下對Al粉進(jìn)行氮化，只需在開始時將其點燃,，故能耗低,、生產(chǎn)效率高、成本低,。其缺點是要獲得氮化完全的粉體,，必需在較高的氮氣壓力下進(jìn)行，直接影響了該法的工業(yè)化生產(chǎn),。

5,、原位自反應(yīng)合成法

原位自反應(yīng)合成法的原理與直接氮化法的原理基本類同，以鋁及其它金屬形成的合金為原料,，合金中其它金屬先在高溫下熔出,，與氮氣發(fā)生反應(yīng)生成金屬氮化物，繼而金屬Al取代氮化物的金屬,，生產(chǎn)AlN,。

其優(yōu)點是工藝簡單、原料豐富,、反應(yīng)溫度低,，合成粉體的氧雜質(zhì)含量低,。其缺點是金屬雜質(zhì)難以分離，導(dǎo)致其絕緣性能較低,。

6,、等離子化學(xué)合成法

等離子化學(xué)合成法是使用直流電弧等離子發(fā)生器或高頻等離子發(fā)生器，將Al粉輸送到等離子火焰區(qū)內(nèi),，在火焰高溫區(qū)內(nèi),，粉末立即融化揮發(fā)，與氮離子迅速化合而成為AlN粉體,。

其優(yōu)點是團(tuán)聚少,、粒徑小。其缺點是該方法為非定態(tài)反應(yīng),，只能小批量處理,，難于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，且其氧含量高,、所需設(shè)備復(fù)雜和反應(yīng)不完全,。

7、化學(xué)氣相沉淀法

它是在遠(yuǎn)高于理論反應(yīng)溫度,，使反應(yīng)產(chǎn)物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓,，導(dǎo)致其自動凝聚成晶核，而后聚集成顆粒,。

氮化鋁的應(yīng)用

1,、壓電裝置應(yīng)用

氮化鋁具備高電阻率，高熱導(dǎo)率(為Al₂O₃的8-10倍),，與硅相近的低膨脹系數(shù)，是高溫和高功率的電子器件的理想材料,。

2,、電子封裝基片材料

常用的陶瓷基片材料有氧化鈹、氧化鋁,、氮化鋁等,，其中氧化鋁陶瓷基板的熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)和硅不太匹配,；氧化鈹雖然有優(yōu)良的性能,，但其粉末有劇毒。

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在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中,，氮化硅陶瓷抗彎強度最高,，耐磨性好，是綜合機械性能最好的陶瓷材料,，同時其熱膨脹系數(shù)最小,。而氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率,、好的抗熱沖擊性、高溫下依然擁有良好的力學(xué)性能,�,？梢哉f，從性能的角度講,，氮化鋁與氮化硅是目前最適合用作電子封裝基片的材料,，但他們也有個共同的問題就是價格過高。

3,、應(yīng)用于發(fā)光材料

氮化鋁（AlN）的直接帶隙禁帶最大寬度為6.2eV,，相對于間接帶隙半導(dǎo)體有著更高的光電轉(zhuǎn)換效率。AlN作為重要的藍(lán)光和紫外發(fā)光材料,，應(yīng)用于紫外/深紫外發(fā)光二極管,、紫外激光二極管以及紫外探測器等。此外,，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成連續(xù)的固溶體,，其三元或四元合金可以實現(xiàn)其帶隙從可見波段到深紫外波段的連續(xù)可調(diào)，使其成為重要的高性能發(fā)光材料,。

4,、應(yīng)用于襯底材料

AlN晶體是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想襯底,。與藍(lán)寶石或SiC襯底相比,，AlN與GaN熱匹配和化學(xué)兼容性更高、襯底與外延層之間的應(yīng)力更小,。因此,，AlN晶體作為GaN外延襯底時可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能,，在制備高溫,、高頻、高功率電子器件方面有很好的應(yīng)用前景,。

另外,，用AlN晶體做高鋁（Al）組份的AlGaN外延材料襯底還可以有效降低氮化物外延層中的缺陷密度，極大地提高氮化物半導(dǎo)體器件的性能和使用壽命,�,；�于AlGaN的高質(zhì)量日盲探測器已經(jīng)獲得成功應(yīng)用。

5,、應(yīng)用于陶瓷及耐火材料

氮化鋁可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷的燒結(jié),，制備出來的氮化鋁陶瓷，不僅機械性能好，抗折強度高于Al2O3和BeO陶瓷,，硬度高,，還耐高溫耐腐蝕。利用AlN陶瓷耐熱耐侵蝕性,，可用于制作坩堝,、Al蒸發(fā)皿等高溫耐蝕部件。此外,，純凈的AlN陶瓷為無色透明晶體,，具有優(yōu)異的光學(xué)性能，可以用作透明陶瓷制造電子光學(xué)器件裝備的高溫紅外窗口和整流罩的耐熱涂層,。

6,、復(fù)合材料

環(huán)氧樹脂/AlN復(fù)合材料作為封裝材料，需要良好的導(dǎo)熱散熱能力,，且這種要求愈發(fā)嚴(yán)苛,。環(huán)氧樹脂作為一種有著很好的化學(xué)性能和力學(xué)穩(wěn)定性的高分子材料，它固化方便,，收縮率低,，但導(dǎo)熱能力不高。通過將導(dǎo)熱能力優(yōu)異的AlN納米顆粒添加到環(huán)氧樹脂中,，可有效提高材料的熱導(dǎo)率和強度,。

現(xiàn)階段存在的問題

目前，氮化鋁也存在一些問題,。其一是粉體在潮濕的環(huán)境極易與水中羥基形成氫氧化鋁,，在AlN粉體表面形成氧化鋁層，氧化鋁晶格溶入大量的氧,，降低其熱導(dǎo)率,，而且也改變其物化性能，給AlN粉體的應(yīng)用帶來困難,。抑制AlN粉末的水解處理主要是借助化學(xué)鍵或物理吸附作用在AlN顆粒表面涂覆一種物質(zhì),，使之與水隔離，從而避免其水解反應(yīng)的發(fā)生,。目前抑制水解處理的方法主要有：表面化學(xué)改性和表面物理包覆。

其二是氮化鋁的價格高居不下,，每公斤上千元的價格也在一定程度上限制了它的應(yīng)用,。制備氮化鋁粉末一般都需要較高的溫度，從而導(dǎo)致生產(chǎn)制備過程中的能耗較高,，同時存在安全風(fēng)險,，這也是一些高溫制備方法無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的主要弊端。再者是生產(chǎn)制備過程中的雜質(zhì)摻入或者有害產(chǎn)物的生成問題，例如碳化還原反應(yīng)過量碳粉的去除問題,，以及化學(xué)氣相沉積法的氯化氫副產(chǎn)物的去除問題,，這都要求制備氮化鋁的過程中需對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行提純，這也導(dǎo)致了生產(chǎn)制備氮化鋁的成本居高不下,。

2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇

8月13-14日,，河南  鄭州

參會/參展鏈接：

http://cnpowder.mikecrm.com/TsX3Rdg

參考來源：

[1]楊清華等.氮化鋁粉體制備的研究及展望.

[2]蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究進(jìn)展.

[3]王柳燕等.氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

[4]胡友靜.氮化鋁陶瓷的研究和應(yīng)用進(jìn)展

[5]鄒清.氮化鋁的研究進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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