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認識一下氮化硼“四兄弟”
氮化硼(Boron Nitride,BN)是一種由相同數量的氮原子(N)和硼原子(B)組成的二元化合物,分子式為BN。按晶型分,氮化硼被分為六方氮化硼(h-BN,又稱α-BN或g-BN)、立方氮化硼(c-BN,又稱β-BN或z-BN)、菱方氮化硼(r-BN)和纖鋅礦氮化硼(w-BN)。不同的氮化硼晶體結構擁有不同的特點以及應用。
表 氮化硼晶體結構
認識一下氮化硼“四兄弟”
氮化硼不是自然產生的化合物,人工合成氮化硼可以追溯到1842年,Balmain首次利用硼酸(H3BO3)和氰化鉀(KCN)反應合成了氮化硼。第二次世界大戰后,國外對BN材料進行了大量的研究工作,到1955年已經解決了BN熱壓方法,此后BN材料開始大規模地發展。

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圖 《Bemerkungen über die Bildung von Verbindungen des Bors und Siliciums mit Stickstoff und gewissen Metallen》,W. H. Balmain

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圖 BN同素異形體結構
01

六方氮化硼(h-BN)

六方氮化硼,英文名:hexagonal boron nitride,簡稱:h-BN,又稱α-BN或g-BN(graphitic BN),誕生在19世紀40年代的貝爾曼(Balmain)實驗室中,與石墨結構相似,但h-BN呈象牙白色,所以也被稱為“白石墨”。

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圖 (a)石墨結構示意圖;(b)h-BN結構示意圖;(c)石墨俯視圖;(d)h-BN俯視圖
  • 性能特點

h-BN具有與石墨相似的層狀晶體結構,每一層都是出B原子和N原子按照sp2雜化方式交替排列組成的無限延伸的六邊形,這些原子層再沿C軸方向按照ABAB……方式排列。在同一層內,B和N原子之間靠共價鍵結合起來,層與層之間則以范德華力相結合。h-BN具有良好的潤滑性、電絕緣性、導熱性、耐化學腐蝕性等特點,且機械加工性能好,是一種性能優異有很大發展潛力的新型陶瓷材料。
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圖 氮化硼治具,來源:賽瑞特
  • 應用領域

h-BN由于其具有優異的潤滑性、熱穩定性、絕緣性和化學穩定性等,使其在很多方面都有廣泛的應用。成型制品易機械加工,可作為原子反應堆結構材料;飛機、火箭發動機噴口材料;高溫固體潤滑劑和多種精密鑄造制品脫模劑;耐高溫、耐腐燭氮化硼陶瓷及氮化硼復合陶瓷;抗高壓高頻電及等離子弧的絕緣體;耐火材料的氧化添加劑;電子器件中的絕緣膜;在X射線及可見光區域透明,因而可作為透明絕緣層用于電致發光器件,以及在制造亞納米量級的超大規模集成電路中做X射線保護膜等。
02

立方氮化硼(c-BN)

立方氮化硼,英文名:cubic Boron Nitride,簡稱:c-BN,又稱β-BN或z-BN。1957年,美國通用電氣公司的R.H.Wentorf以鎂為觸媒采用高溫高壓法首次合成出c-BN單晶,隨后Wentorf又在無觸媒的情況下將h-BN轉變為c-BN,其優異的物理化學性質引起了研究者的廣泛關注,使其成為了研究熱點。c-BN最初被認為在自然界不存在,直至2009年被科學家們在青藏高原南部地區地下發現,并于2013年c-BN存在于自然界被國際礦物質學協會正式承認。c-BN在自然界的儲量很低,獲得c-BN的方法主要是人工合成法,迄今為止,高溫高壓法仍是制備c-BN晶體的常用方法。

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圖 金剛石(左)和cBN(右)的結構示意圖
c-BN的硼原子和氮原子是以sp3方式雜化,其結構類似金剛石的晶體結構——閃鋅礦型面心立方結構,這種結構決定了c-BN具有很多與金剛石類似的性質,但由于B、N原子和C原子屬性的差異也決定了c-BN具有其獨特的性質。
  • 性能特點

c-BN具有僅次于金剛石的硬度、在高溫下良好的化學穩定性、耐腐蝕、抗氧化、超寬帶隙(6.4eV)、高熱導率(13W/(cm·K))、低介電常數(ε0=7.1,ε∞=4.5)、高擊穿場強(8MV·cm-1)、高飽和漂移速度和可發射及探測至深紫外的短波長光、可以通過摻雜得到 n 型或 p 型半導體材料等諸多特性,是超寬禁帶半導體領域里最為典型的一種超硬多功能材料。特別是,c-BN在高溫下不與鐵、鈷、鎳等金屬反應,是各行業里黑色金屬加工的首選材料,加上優異的光學、電子學性質,使其與金剛石并稱為“國家戰略性物資”,是國家工信部重點發展的材料之一。
  • 應用領域

c-BN 優異的機械性能使得其在加工難加工材料(高強度鋼和超高強度鋼,高溫合金等)和難加工結構(薄壁件結構,葉片及渦輪盤結構)等方面具有獨特的優越性,c-BN常被用為磨具和刀具材料,是切削加工、鉆探、磨削、銑削的利器。
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此外,作為第三代半導體材料,c-BN可以制備在特種環境下透明、高溫、高頻、大功率、抗輻射短波光電子器件,在大功率電子學、深紫外光電子學和量子通信等領域具有很大的應用前景。因其在紫外到遠紅外整個波段具有優良的透過率,結合其良好的抗熱沖擊性能和硬度,c-BN有望成為大功率激光器和探測器的理想窗口材料。

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圖 傳統半導體、寬禁帶(WBG)和超寬禁帶(UWBG)半導體的巴利加優值圖(BFOM)。
03

纖鋅礦型氮化硼(w-BN)

纖鋅礦型氮化硼,英文名:Wurtzite boron nitride,簡稱:w-BN。20世紀60年代初期,Bundy和Wentorf在2500K以下和11.5GPa以上的靜態高溫高壓條件下用類石墨的hBN首次合成出了纖鋅礦型結構的氮化硼,幾年后,科學家們采用沖擊波法以hBN為原料也成功合成出w-BN。1971 年,日本油脂公司(Nippon Oil & Fats )與昭和電工公司( Showa Denko)實現了工業規模的w-BN的沖擊合成;1976年,東京工業大學(Tokyo Institute of Technology)和日本油脂公司開始嘗試生產w-BN切削刀具,并于1980年首次出售商用w-BN切削刀具。
  • 性能特點

w-BN中硼原子和氮原子的雜化方式與c-BN相同均是以sp3方式雜化。雖然其結構和立方氮化硼結構不同,但其性質卻和c-BN相似,密度僅相差1%,具有僅次于金剛石的硬度,高溫下具有比金剛石更好的化學穩定性,具有僅次于金剛石的導熱性。
  • 應用領域

作為一種超硬材料,w-BN可以在地質勘探中取代金剛石,應用于鉆頭和切削工具。
04

菱方氮化硼(r-BN)

菱方氮化硼又稱三方氮化硼,英文名:rhombohedral boron nitride,簡稱:r-BN。硼原子和氮原子是以sp2方式雜化,這與六方氮化硼相同,同時其結構也與六方氮化硼類似,都是層狀結構,不同的是他們層的排列方式,菱方氮化硼是以ABCABCABC……的方式排列,層間存在范德華力。
  • 性能特點

r-BN保持了h-BN幾乎所有的優異性質,具有較好的抗氧化性和較穩定的化學性質,良好的導熱性能,并具有非中心對稱的ABC堆垛結構,因而具備本征的滑移鐵電性和非線性光學性質。
  • 應用領域

r-BN化學穩定性高,在空氣中的抗氧化溫度接近900℃,是優良的高溫耐火材料;r-BN還具有很高的電阻率,其薄膜可以作為電子器件的絕緣膜;此外,r-BN的發光位置在紫外光波段,可作紫外或者深紫外的發光材料。r-BN晶體材料由于具有寬帶隙、高熱導率、高穩定性等特點,在成為高溫、大功率、高速半導體器件的理想襯底和熱沉材料方面具有很廣闊的應用前景。

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圖 北京大學物理學院,熔融石英上的菱方氮化硼光學晶體,厚度只有1至3微米

艾邦建有陶瓷基板產業群,歡迎上下游企業加入微信群,長按識別二維碼即可加入

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8月28-30日,艾邦將于深圳國際會展中心7號館舉辦第六屆精密陶瓷暨功率半導體產業鏈展覽會,同期將舉辦陶瓷基板專場論壇,賽瑞特將展示氮化硼產品,并做氮化硼相關主題報告演講,歡迎蒞臨參觀交流。

推薦展會:第六屆精密陶瓷暨功率半導體產業鏈展覽會

同期舉辦:熱管理材料展

2024年8月28日-30日??
深圳國際會展中心7號館(寶安新館)
展出2萬平米、1,000個攤位、500多家展商、50,000名專業觀眾;匯聚IGBT/SiC功率半導體產業鏈;熱管理材料產業鏈,精密陶瓷、電子陶瓷、陶瓷基板、薄膜/厚膜陶瓷電路板、陶瓷封裝管殼、LTCC/HTCC/MLCC加工產業鏈等產業鏈上下游企業!

一、精密陶瓷產業鏈:

1、陶瓷器件及材料MLCC、LTCC、HTCC、微波介質陶瓷、壓電陶瓷、鈦酸鋇、碳酸鋇、氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、玻璃粉、氮化鋁、LTCC介質陶瓷粉體、稀土氧化物、生瓷帶等;

2、精密陶瓷:氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化釔、結構陶瓷、高溫陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷軸承、陶瓷球、半導體陶瓷(搬運臂、陶瓷劈刀、靜電卡盤、蝕刻環……)、3D打印陶瓷、燃料電池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纖陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

3、陶瓷基板及封裝外殼:陶瓷封裝外殼、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜電路板、厚膜電路板、陶瓷封裝基座、熱沉、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹、莫來石粉體及基板等;

4、金屬材料:銀粉、金粉、銅粉、鎳粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用內/外電極漿料、LTCC銀漿、金漿、鎢鉬漿料、銅漿、靶材、無氧銅帶、可伐合金、金屬沖壓件等;

5、助劑:陶瓷和導電漿料用分散劑、黏合劑、增塑劑、絮凝劑、礦化劑、消泡劑、潤滑劑、燒結助劑等;

6、設備:

陶瓷加工設備:砂磨機、球磨機、真空脫泡機、三輥機、噴霧造粒機、干壓機、流延機、注塑機、3D打印機、模具、干燥設備、研磨機、精雕機、裁片機、激光設備、打孔機、填孔機、絲網印刷機、疊層機、層壓機、等靜壓機、熱切機、整平機、排膠爐、燒結爐、釬焊設備、電鍍設備、化學鍍、噴銀機、浸銀機、端銀機、真空鍍膜設備、顯影設備、去膜設備、蝕刻機、濕制程設備、等離子清洗、超聲波清洗、自動化設備、剝離強度測試儀、AOI檢測設備、打標機;

封裝測試設備:貼片機、引線鍵合機、封蓋機、平行縫焊封帽、切筋機、釬焊設備、激光調阻機、網絡分析儀、熱循環測試設備、測厚儀、氦氣檢漏儀、老化設備、外觀檢測、超聲波掃描顯微鏡、X-光檢測、激光打標、分選設備、測包編帶機等;

7、耗材:離型膜、載帶(塑料和紙質)、耐火材料、承燒板/匣缽(氧化鋁、剛玉莫來石、氮化硼等)、承燒網、發泡膠、研磨耗材(金剛石微粉、研磨液)、精密網版、清洗劑、電鍍藥水等。

二、熱管理產業鏈:

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1、熱管理材料:氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、石墨烯、石墨、碳納米管、空心玻璃微珠、導熱粉體、散熱基板、熱沉(鎢銅、鉬銅、氮化鋁、金剛石等)、鋁碳化硅AlSiC、相變材料、導熱凝膠、導熱界面材料、導熱墊片、導熱膠帶、灌封膠、熱管/均熱板;

2、散熱器件:半導體制冷片(TEC)、IGBT散熱器(銅、鋁)、大功率晶體管散熱器、通信基站散熱殼體、液態金屬散熱器、插針式散熱器等;

3、設備:壓延機、涂布機、分條機、模切機、復卷機、切片機,CNC設備、壓鑄/沖壓設備、熱分析儀器、激光導熱儀、導熱系數儀、強度試驗機、檢測設備、自動化等。

三、功率半導體器件封裝產業鏈:

1、材料:碳化硅,陶瓷襯板(DBC、AMB)、封裝管殼、鍵合絲、散熱基板(銅、鋁碳化硅AlSiC)、導熱硅凝膠、環氧灌封膠、焊料(預制焊片)、銀膜/銀膏、散熱器(銅、鋁)、功率引出端子(銅端子)、外殼(工程塑料PPS、PBT、高溫尼龍)、清洗劑等;

2、設備及配件:真空焊接爐、貼片機、固晶機、引線鍵合機、X-ray、推拉力測試機、等離子清洗設備、點膠機、絲網印刷機、超聲波掃描設備、動靜態測試機、點/灌膠機、銀燒結設備、垂直固化爐、甲酸真空共晶爐、自動封蓋設備、高速插針機、彎折設備、超聲波焊接機、視覺檢測設備、推拉力測試機、高低溫沖擊設備、功率循環測試設備、打標機、檢驗平臺、治具等;

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