氮化铝陶瓷：结构、性能与应用全解析
氮化铝陶瓷：结构、性能与应用全解析
氮化铝（AlN）是一种具有优异热学、电学和力学性能的先进陶瓷材料，广泛应用于电子封装、半导体设备、光学器件等领域。本文将为您详细介绍氮化铝的晶体结构、发展历程、制备方法及其在现代工业中的重要应用。
氮化铝（Aluminum Nitride，AlN）是一种六方晶系钎锌矿型结构形态的共价键化合物。晶格常数 a = 0.3110 nm，c = 0.4978 nm。其中 Al 原子呈六方密堆，而 N 原子占据一半的四面体间隙位置；Al 原子与相邻的 N 原子形成畸变的 [AlN4] 四面体，沿 C 轴方向 Al-N 键长为 0.1917 nm,另外三个方向的 Al-N 键长为 0.1885 nm。纯净的 AlN 陶瓷无色透明，但由于混入杂质而呈现各种颜色，通常为灰色、灰白色或淡黄色。
氮化铝陶瓷的发展史
氮化铝的研究和应用历史可以追溯到19世纪。以下是氮化铝陶瓷的重要发展历程：
- 1862年：F.Briegler 和 A.Geuther 首次发现氮化铝。
- 1877年：J.W.Mallets 首次合成了氮化铝。当时 AlN 曾作为一种固氮剂使用。
- 1950年代：出现氮化铝陶瓷材料。高温耐腐蚀性好，但致密度不高和强度低，作为耐火材料用于铝及铝合金等的熔炼。
- 1970年代中后期：制备出致密的氮化铝陶瓷。其优异的热学和电学性能引起广泛关注，相关研究加速发展。
- 1990年代初期：出现了高质量的氮化铝基片和封装材料，并且在日美等发达国家逐渐实现了产业化。
- 至今：氮化铝基板成为电子封装的常用材料，国内氮化铝陶瓷研究和产业化取得快速发展。
氮化铝的制备方法
氮化铝的制备技术主要有直接氮化法、碳化还原法、高能球磨法、高温自蔓延合成法、原位自反应合成法、溶胶凝胶法等。目前已实现工业化生产的制备技术主要有直接氮化法、碳热还原法，自蔓延法、原位合成法、化学气相沉积法正迈向工业化量产。
制备方法 | 优点 | 缺点 | 优化措施 |
|---|---|---|---|
直接氮化法 | 原料来源丰富，工艺简单，无杂质产生，能耗低，适合大规模生产 | 产率低、粉体易结块、颗粒不规则、粒度分布宽，需次破碎和研磨 | 优化工艺；加入合适的添加剂 |
碳热还原法 | 原料丰富、工艺简单、粉体纯度高、粒径小且分布均匀 | 合成时间较长、氮化温度较高，且产物含有碳杂质需要清除，生产成本较高 | 提高氧化铝粉体与碳源的质量，采用小粒径、高纯度、高活性的原料，改进原料的混合工艺条件，使用键能更低的铝源和碳源为原料 |
高能球磨法 | 设备简单、生产效率高 | 在球磨过程中容易引入杂质，生产出的粉体质量较低 | 选用更耐磨的或者与产品成分相同的设备材质，减少杂质的引入，提高氮化铝粉体的质量。 |
高温自蔓延合成法 | 不需要外加热源，节能环保，生产成本低 | 反应剧烈，不易控制，易结块，需二次破碎和研磨，需在较高的氮气压力下进行 | 添加分散剂或添加剂；利用炭黑等惰性材料吸收反应热 |
等离子化学合成法 | 粉体比粒径小、表面积高、团聚少、粒度均匀，具有良好烧结性能 | 设备复杂昂贵、产量较低、单位颗粒形貌不规则、产品氧含量高、生产能耗高 | 改进生产设备，降低粉未中氧含量和金属杂质 |
化学气相沉积法 | 粉体纯度高、粒度小、较易实现粉体颗粒的纳米化、比表面积高 | 对设备要求较高且生产效率低，采用挥发性化合物的铝源会导致生产成本高，采用无机化合物的铝源会生成腐蚀性气体 | - |
溶胶-凝胶法 | 粉体粒度细小、纯度高 | 制备过程复杂，产品产量小，原料价格昂贵，成本高 | - |
原位自反应合成法 | 工艺简单，原料丰富，耗能较少，产品中氧含量较低 | 含有金属杂质，且难以除去，大幅降低绝缘性能 | - |
氮化铝的性能特点
AlN 具有以下优异性能：
热学性能
单晶氮化铝的热导率理论值可达 320 W/(m·k)，室温下其热导率是 Al2O3的数倍，与氧化铍的热导率(理论值为 350 W/(m∙k))相近，并且无毒无害。随着温度升高，氮化铝的导热性能会逐渐优 于氧化铍。在常温下氮化铝的热膨胀系数(4.5×10-6 ˚C)与硅的热膨胀系数(3.5~4×10-6 ˚C)接近。
电学性能
常温下，氮化铝是优良的绝缘材料，其电阻率约为 10-16 Ω∙m 并且击穿电压可达到 15 kV/mm；氮化铝与氧化铝的介电常数相近，可达 8.9 F/m (1 MHz)，氮化铝的介电损耗约为(3~10)×10-4 (1 MHz)。
力学性能
常温下，氮化铝陶瓷硬度约为 12 GPa，密度理论值约为 3.26 g/cm³ ，杨氏模量为 308 GPa， 莫氏硬度为 7~8。氮化铝在 2200 ℃ 左右分解，室温下抗弯强度可达到 300 MPa。氮化铝的强度受温度的影响不大，如温度为 1300 ℃ 时，氮化铝的高温强度比室温下的强度降低约 20%，而氧化铝和氮化硅在高 温下下，其强度总体要减少 50% 。
化学性能
氮化铝材料耐高温抗腐蚀，可以稳定存在于砷化镓等化合物的熔盐中，并且铝、铜、 镍等金属也无法浸润氮化铝材料。氮化铝开始发生氧化的温度约为 700 ℃~800 ℃，常温下使用氮化铝材料不用考虑器件被氧化的问题。氮化铝容易与空气中的水蒸气发生反应，因此需要在干燥阴凉处保存。
氮化铝的应用领域
氮化铝陶瓷凭借其优异的性能，在多个领域都有广泛的应用：
- 封装散热基板：用于功率半导体器件、大规模集成电路、大功率器LED等封装基板、激光器热沉基板。
- 半导体设备零部件：如静电吸盘（ESC）、氮化铝加热盘（Heater）、陶瓷喷嘴、高温耐蚀部件等。
- 导热填料：作为导热填料用于添加在树脂或塑料中，提高树脂或塑料的导热性能。
- 半导体材料：AlN晶圆是高功率、高频电子器件及紫外探测器、紫外激光和深紫外LED等光电子器件的优异衬底材料。
- 热交换器件：作为高温耐腐蚀、耐热冲击和热交换材料，用于船用燃气轮机的热交换器和内燃机的耐热部件。
- 高温耐火材料：具有与铝、钙等金属不润湿等特性，可以用其作坩埚、炉衬、保护管、浇注模具等。
- 光学部件：纯净的AlN陶瓷为无色透明晶体，具有优异的光学性能，可以用作制造电子光学器件装备的高温红外窗口及红外导流罩。
- 压电薄膜：AlN薄膜具有优异的压电和声表面波特性，用于压电 MEMS传感器和致动器元件、声表面波器件(SAW)。
氮化铝陶瓷作为一种高性能材料，在现代工业中发挥着越来越重要的作用。随着技术的不断进步，氮化铝陶瓷的应用领域将进一步扩大，为电子、半导体、光学等领域的创新发展提供有力支持。