中國粉體網訊 “欲上九天攬明月，巡天遙看一星河”,，伴隨著我國航空航天事業(yè)的跨越式發(fā)展,，航空航天器用超大規(guī)模集成電路及電子器件正朝向微型化,、集成化、高頻化,、高可靠性的方向發(fā)展,，器件的發(fā)熱量顯著增加，散熱問題逐漸凸顯,。
一,、氮化鋁陶瓷是理想散熱材料
散熱材料是影響器件傳熱性能和可靠性的關鍵。因此,，高導熱材料成為集成微型化電子系統(tǒng)的突破口,。其中，電子陶瓷材料成為解決散熱問題的重要材料,。在幾種常用的電子陶瓷材料中,，氧化鋁陶瓷導熱率為20W/mK，導熱性能相對較差，主要應用于中,、低功率的電子器件,。高純度的氧化鈹陶瓷在室溫下具有優(yōu)異的導熱率，但具有劇毒,，且制備成本較高,。同樣，碳化硅也因輕微毒性以及較高的制備成本,，應用場景受限,。氮化鋁陶瓷具有高熱導、低膨脹,、低介電損耗,、高電阻、優(yōu)異的耐熱震性以及良好的力學性能,，成為新一代具有廣闊發(fā)展前景的散熱材料,。
表1 常用電子陶瓷的特性
二、氮化鋁的研究歷史
氮化鋁是一種以共價鍵相連的人工合成二元材料,，在自然界中并不存在,。氮化鋁是六方晶系，以鋁原子為中心原子與相鄰的四個氮原子形成的[AlN4]四面體作為基本結構單元,，結構類似于金剛石,。氮化鋁粉體1862年被首次發(fā)現，于1877年被首次合成出來,。由于氮化鋁是共價化合物,，自擴散系數小,，熔點高,，難以燒結，直到20世紀50年代,，氮化鋁陶瓷才首次被研制成功,，但存在致密度較低，力學性能不佳等問題,，主要作為耐火材料應用于純鐵,、鋁以及合金的熔煉。21世紀以來,，隨著研究的深入以及對新型多功能電子陶瓷材料的需求迫切,，氮化鋁陶瓷的制備技術日趨成熟，應用范圍也不斷擴大,。
圖1 氮化鋁陶瓷微觀形貌（圖源：粉末冶金技術）
三,、氮化鋁的導熱機理
高熱導率是氮化鋁的顯著特征。由于氮化鋁是一種共價化合物,，其分子內部不存在可以自由移動的電子,，因此其導熱機理為晶格振動,，即借助晶格波或熱波進行熱的傳遞，這種方式被稱為“聲子傳熱”,。
根據量子力學原理,，晶格波可以作為一種粒子——聲子的運動來處理。把晶格內部的原子看成小球,，這些小球之間彼此由共價鍵連接起來,，從而每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播,。這種晶格振動產生的能量量子,，即“聲子”，聲子相互作用使振動傳遞,，晶體內部溫度高的部分能量大，溫度低的部分能量小,，能量通過聲子之間互相作用,，從高能量向低能量發(fā)生傳遞，能量的遷移帶動了熱量的傳導,。
四,、氮化鋁陶瓷在航空航天領域的應用
由于氮化鋁陶瓷具有優(yōu)異的高導熱性而被廣泛應用于航天電子的各個領域。如覆銅基板材料,、電子封裝材料,、超高溫器件封裝材料、高功率器件平臺材料,、高頻器件材料,、傳感器薄膜材料、涂層及功能增強材料等,。
1.覆銅基板材料
在航天器的設計中,，電源控制器主要是以表面貼裝方式進行組裝，常用的基板材料為FR-4環(huán)氧玻纖布,。然而,，FR-4環(huán)氧玻纖布的線膨脹系數較高，與器件的熱膨脹系數差別較大,，焊接后易造成開裂。而氮化鋁具有良好的熱學和電學性能,，逐步成為該類基板設計的首選材料。先進封裝工藝往往以高性能的氮化鋁陶瓷板作為導熱基板，在氮化鋁上面直接鍵合銅,。氮化鋁覆銅板具有氮化鋁的導熱性能和機械強度，同時兼具銅的導熱性能和導電性能,，形成了“銅–氮化鋁–銅”的夾層散熱路徑，在航空領域應用潛力很大,。
圖2 氮化鋁覆銅板（圖源：金瑞欣）
2.電子封裝材料
電子元器件正朝著高頻微型、高功率,、高可靠的方向發(fā)展,，熱流密度越來越大，因此,，封裝體要求具有優(yōu)異的導熱性能,。高導熱的氮化鋁本身就是理想的封裝體材料，也可將其作為金屬或者聚合物的增強體制作復合封裝材料,。一方面,，氮化鋁納米顆粒用作結構材料的彌散增強相，能夠有效改善基體材料的熱學性能和機械性能,；另一方面，氮化鋁的惰性使得金屬基的氮化鋁材料復合反應時間延長,，從而可以有效調控界面,。此外，氮化鋁填料還可以通過調控聚合物的導熱率和剛度來降低聚合物的熱膨脹系數,。
圖3 硅膠片及氮化鋁的導熱系數（圖源：硅酸鹽學報）
3.超高溫封裝材料
傳統(tǒng)封裝技術大多適用于硅基微電子器件,。然而，一旦面臨150℃以上的高溫環(huán)境,，傳統(tǒng)的封裝材料就會失去可靠性,。塑料在500℃時會熔化,、降解和燃燒,；合金焊料在500℃時會迅速氧化或熔化；此外,，熱膨脹系數差別較大的材料在結合時會產生較高的熱應力,，影響結構的強度和穩(wěn)定性。而氮化鋁的熔點高達2500℃,，具有良好的耐高溫特性,，熱膨脹系數相對較低，與硅和碳化硅的熱膨脹系數相接近，熱配性較好,，能夠提供更好的熱可靠性,。因此，氮化鋁陶瓷封裝成為超高溫(500℃以上)微電子器件的理想選擇,，能有效地滿足航空航天發(fā)動機控制器和超高溫星表環(huán)境的探測器的應用需求,。
圖4 基于氮化鋁陶瓷封裝的超高溫微電子元器件（圖源：硅酸鹽學報）
4.高功率器件平臺材料
航天器太陽電池翼在工作時會將幾十千瓦的電功率傳輸至艙體內部，功率傳輸的絕緣材料需具備電絕緣性能,、高熱導性能以及優(yōu)異的機械性能,。氮化鋁具有大于1×1013Ω·cm的電阻率以及190W/(m·K)以上的熱導率；同時,，彎曲強度高達400MPa,，模量達到320GPa，硬度達到15GPa以上,，契合了太陽翼電源系統(tǒng)對高導熱,、電絕緣和機械承載的功能結構一體化的材料的需求。
在無線收發(fā)系統(tǒng)中,，收發(fā)組件的固態(tài)放大電路使用的是輸出功率更高的寬禁帶半導體功率器件,，發(fā)熱密度也隨之上升，因而需要選用高導熱材料將內部逐漸累積的熱量傳導至散熱器,，避免組件內部溫度過高,，進而惡化遷移率，限制晶體管的最大輸出功率,。在高導熱寬禁帶的氮化物半導體材料中,，氮化鋁的導熱系數為320W/(m·K)，高于單晶氮化鎵的230W/(m·K),，更具有傳熱優(yōu)勢,。
5.高頻器件材料
高純氧化鋁陶瓷和氧化鈹陶瓷是微波管的傳統(tǒng)材料，氮化鋁憑借其高熱導,、無毒無害成為其有利替代材料,，用于微波管的集電極、夾極和能量傳輸窗口的制作,。微波窗口的主要功能是傳輸高頻能量,，其介電損耗必須盡可能小，氮化鋁的介電損耗低至1×10–4（1MHz下）,，當熱量過高時,，氮化鋁窗口會將器件內部振蕩的電磁能量輸出到波導系統(tǒng)，以保證器件的安全性,。此外,，氮化鋁作為器件的結構層具有耐高溫,、高電阻率、高擊穿電壓強度和低介電損耗的優(yōu)勢,，并且可以得到高品質因數,、高頻機電耦合系數，因此,，氮化鋁在諧振器中具有廣闊應用前景,，航天器件中如星載加速度計、陀螺儀,、振蕩器,、濾波器均可以選擇氮化鋁諧振器。
圖6 蘭姆波諧振器（圖源：上�,？萍即髮W）
6.薄膜材料
氮化鋁薄膜材料是一種性能良好的壓電材料,，具有良好的C軸取向性，具有良好的熱穩(wěn)定性和壓電性,，能在高溫惡劣環(huán)境下工作,，已在航空用傳感器、諧振器,、微機電系統(tǒng)中均有應用,。基于氮化鋁薄膜的高溫壓力傳感器可以應用于航天器的飛行控制中,；氮化鋁基MEMS諧振器具有體積小,、高質量因數和高頻率的特點，且與集成電路技術兼容,，能夠將多頻率器件集成在一個芯片上,，被成功地用于航天導航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
參考來源：
[1]何端鵬,，高熱導電絕緣氮化鋁陶瓷在宇航器件中的應用
[2]宋志健,，氮化鋁陶瓷的制備及研究進展
（中國粉體網編輯整理/梧桐）
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