1.氮化鋁陶瓷的發展史
1862年 —— F.Briegler 和 A.Geuther 于 1862 年發現氮化鋁； 1877 —— J.W.Mallets 首次合成了氮化鋁。當時 AlN 曾作為一種固氮劑使用； 1950s ——?出現氮化鋁陶瓷材料。高溫耐腐蝕性好，但致密度不高和強度低，作為耐火材料用于鋁及鋁合金等的熔煉； 1970s 中后期 ——?制備出致密的氮化鋁陶瓷。其優異的熱學和電學性能引起廣泛關注，相關研究加速發展； 1990s 初期 ——?出現了高質量的氮化鋁基片和封裝材料，并且在日美等發達國家逐漸實現了產業化； 至今 ——?氮化鋁基板成為電子封裝的常用材料，國內氮化鋁陶瓷研究和產業化取得快速發展。
2.氮化鋁的制備方法
制備方法 | 優點 | 缺點 | 優化措施 |
直接氮化法 | 原料來源豐富，工藝簡單，無雜質產生，能耗低，適合大規模生產 | 產率低、粉體易結塊、顆粒不規則、粒度分布寬，需次破碎和研磨 | 優化工藝；加入合適的添加劑 |
碳熱還原法 | 原料豐富、工藝簡單、粉體純度高、粒徑小且分布均勻 | 合成時間較長、氮化溫度較高，且產物含有碳雜質需要清除，生產成本較高 | 提高氧化鋁粉體與碳源的質量，采用小粒徑、高純度、高活性的原料，改進原料的混合工藝條件，使用鍵能更低的鋁源和碳源為原料 |
高能球磨法 | 設備簡單、生產效率高 | 在球磨過程中容易引入雜質，生產出的粉體質量較低 | 選用更耐磨的或者與產品成分相同的設備材質，減少雜質的引入，提高氮化鋁粉體的質量。 |
高溫自蔓延合成法 | 不需要外加熱源，節能環保，生產成本低 | 反應劇烈，不易控制，易結塊，需二次破碎和研磨，需在較高的氮氣壓力下進行 | 添加分散劑或添加劑；利用炭黑等惰性材料吸收反應熱 |
等離子化學合成法 | 粉體比粒徑小、表面積高、團聚少、粒度均勻，具有良好燒結性能 | 設備復雜昂貴、產量較低、單位顆粒形貌不規則、產品氧含量高、生產能耗高 | 改進生產設備，降低粉未中氧含量和金屬雜質 |
化學氣相沉積法 | 粉體純度高、粒度小、較易實現粉體顆粒的納米化、比表面積高 | 對設備要求較高且生產效率低，采用揮發性化合物的鋁源會導致生產成本高，采用無機化合物的鋁源會生成腐蝕性氣體 | - |
溶膠-凝膠法 | 粉體粒度細小、純度高 | 制備過程復雜，產品產量小，原料價格昂貴，成本高 | - |
原位自反應合成法 | 工藝簡單，原料豐富，耗能較少，產品中氧含量較低 | 含有金屬雜質，且難以除去，大幅降低絕緣性能 | - |
AlN 具有以下優異性能：?
1) 熱學性能
單晶氮化鋁的熱導率理論值可達 320 W/(m·k)，室溫下其熱導率是 Al2O3的數倍，與氧化鈹的熱導率(理論值為 350 W/(m?k))相近，并且無毒無害。隨著溫度升高，氮化鋁的導熱性能會逐漸優 于氧化鈹。在常溫下氮化鋁的熱膨脹系數(4.5×10-6??C)與硅的熱膨脹系數(3.5~4×10-6??C)接近。
2) 電學性能
常溫下，氮化鋁是優良的絕緣材料，其電阻率約為?10-16?Ω?m 并且擊穿電壓可達到 15 kV/mm；氮化鋁與氧化鋁的介電常數相近，可達 8.9 F/m (1 MHz)，氮化鋁的介電損耗約為(3~10)×10-4?(1 MHz)。
3) 力學性能
常溫下，氮化鋁陶瓷硬度約為 12 GPa，密度理論值約為 3.26 g/cm3 ，楊氏模量為 308 GPa， 莫氏硬度為 7~8。氮化鋁在 2200 ℃ 左右分解，室溫下抗彎強度可達到 300 MPa。氮化鋁的強度受溫度的影響不大，如溫度為 1300 ℃ 時，氮化鋁的高溫強度比室溫下的強度降低約 20%，而氧化鋁和氮化硅在高 溫下下，其強度總體要減少 50% 。
4) 化學性能
氮化鋁材料耐高溫抗腐蝕，可以穩定存在于砷化鎵等化合物的熔鹽中，并且鋁、銅、 鎳等金屬也無法浸潤氮化鋁材料。氮化鋁開始發生氧化的溫度約為 700 ℃~800 ℃，常溫下使用氮化鋁材料不用考慮器件被氧化的問題。氮化鋁容易與空氣中的水蒸氣發生反應，因此需要在干燥陰涼處保存。
4.氮化鋁的應用領域
1) 封裝散熱基板
功率半導體器件、大規模集成電路、大功率器LED等封裝基板、激光器熱沉基板。
2)?半導體設備零部件
靜電吸盤（ESC）、氮化鋁加熱盤（Heater）、陶瓷噴嘴、高溫耐蝕部件等。
3)?導熱填料
作為導熱填料用于添加在樹脂或塑料中，提高樹脂或塑料的導熱性能。
4) 半導體材料
AlN晶圓是高功率、高頻電子器件及紫外探測器、紫外激光和深紫外LED等光電子器件的優異襯底材料。
5) 熱交換器件
作為高溫耐腐蝕、耐熱沖擊和熱交換材料，用于船用燃氣輪機的熱交換器和內燃機的耐熱部件。
6)?高溫耐火材料
具有與鋁、鈣等金屬不潤濕等特性，可以用其作坩堝、爐襯、保護管、澆注模具等。
7)?光學部件
純凈的AlN陶瓷為無色透明晶體，具有優異的光學性能，可以用作制造電子光學器件裝備的高溫紅外窗口及紅外導流罩。
8) 壓電薄膜
AlN薄膜具有優異的壓電和聲表面波特性，用于壓電 MEMS傳感器和致動器元件、聲表面波器件(SAW)。
第七屆精密陶瓷暨功率半導體產業鏈展覽會
2025年8月26日-28日
深圳國際會展中心7號館
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原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：氮化鋁陶瓷，你了解多少？
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