Нитрид алюминия представляет собой керамический материал с превосходными комплексными свойствами. Он был впервые искусственно синтезирован в 1877 году, но в последующие 100 лет практического применения не имеет, а используется только как азотфиксатор для удобрений.
Нитрид алюминия представляет собой ковалентное соединение с малым коэффициентом самодиффузии и высокой температурой плавления, поэтому спекается с трудом.
С углублением исследований процесс производства нитрида алюминия становится зрелым, а область его применения также расширяется.
С начала 21 века, с быстрым развитием технологии микроэлектроники, электронные комплектные машины и электронные компоненты развиваются в направлении миниатюризации, легкого веса, интеграции, высокой надежности и высокой выходной мощности, а все более и более сложных устройств, более высоких предъявляются требования к теплоотдаче подложек и упаковочных материалов, что еще больше способствует развитию нитридоалюминиевой промышленности.
Свойства нитрида алюминия
Структура
Нитрид алюминия (AlN) представляет собой соединение с ковалентной связью с гексагональной структурой вюрцита с параметрами решетки a = 3,114 и c = 4,986.
Чистый нитрид алюминия имеет сине-белый, обычно серый или почти белый цвет и является типичным широкозонным полупроводниковым материалом третьего поколения.
Производительность
Нитрид алюминия (AlN) обладает такими характеристиками, как высокая прочность, высокое объемное удельное сопротивление, высокое выдерживаемое напряжение изоляции, коэффициент теплового расширения и хорошее согласование с кремнием.
В области керамических электронных подложек и упаковочных материалов его производительность намного лучше, чем у глинозема.
Технические данные
Теплопроводность Вт/(м·К): 320 (теоретическое значение)
Коэффициент теплового расширения 10^-5／℃: 4,5
Изоляционные свойства: Сопротивление при комнатной температуре 10^14 Ом·см / Напряженность поля пробоя 11,7 x 10^6 В/см
Диэлектрическая проницаемость: 8,8
Ширина запрещенной зоны: 6,2 эВ
Механические свойства при комнатной температуре: твердость 12 ГПа, модуль упругости 314 ГПа / прочность на изгиб 300~400 МПа.
Механические свойства при высоких температурах: на 20% ниже при 1300 ℃ (по сравнению со свойствами при комнатной температуре)
Другие: нетоксичный, стойкость к высокотемпературной коррозии, температура разложения при нормальном давлении 2000 ~ 2450 ℃
По сравнению с некоторыми другими керамическими материалами, керамика из нитрида алюминия обладает превосходными комплексными свойствами, очень подходит для полупроводниковых подложек и конструкционных упаковочных материалов, а также имеет большой потенциал применения в электронной промышленности.
Механизмы теплопроводности
Наиболее заметным свойством нитрида алюминия является его высокая теплопроводность.
Основной механизм теплопроводности нитрида алюминия: теплопередача через решетку или колебания решетки, то есть посредством волн решетки или тепловых волн.
Теоретически теплопроводность AlN может достигать 320 Вт/(м·К), но теплопроводность реального продукта составляет менее 200 Вт/(м·К) из-за примесей и дефектов в AlN. Это связано с тем, что структурные элементы в кристалле не могут быть полностью равномерно распределены, и всегда есть разреженные и плотные разные области, поэтому фононы-носители всегда будут возмущаться и рассеиваться в процессе распространения.
Применение нитрида алюминия
Электроника высокой мощности
Нитрид алюминия имеет высокое удельное сопротивление, высокую теплопроводность (в 8-10 раз выше, чем у Al2O3) и низкий коэффициент расширения, аналогичный коэффициенту кремния. Это идеальный материал для высокотемпературных и мощных электронных устройств.
Подложка для электронной упаковки
Обычно используемые материалы керамической подложки включают оксид бериллия, оксид алюминия, нитрид алюминия и т. Д. Среди них теплопроводность керамической подложки из оксида алюминия низкая, а коэффициент теплового расширения не соответствует коэффициенту кремния; Хотя оксид бериллия обладает прекрасными свойствами, его порошок очень токсичен.
Среди существующих керамических материалов, которые могут быть использованы в качестве материалов подложки, керамика из нитрида кремния обладает самой высокой прочностью на изгиб и хорошей износостойкостью и является керамическим материалом с лучшими комплексными механическими свойствами, а их коэффициент теплового расширения является самым низким. Керамика из нитрида алюминия обладает высокой теплопроводностью, хорошей стойкостью к тепловому удару и по-прежнему имеет хорошие механические свойства при высоких температурах.
С точки зрения производительности нитрид алюминия и нитрид кремния в настоящее время являются наиболее подходящими материалами для подложек электронных корпусов, но их недостатком является высокая стоимость.
Люминесцентный материал
Максимальная ширина прямой запрещенной зоны нитрида алюминия составляет 6,2 эВ, что имеет более высокую эффективность фотоэлектрического преобразования, чем у полупроводников с непрямой запрещенной зоной. Как важный материал, излучающий синий и ультрафиолетовый свет, AlN используется в ультрафиолетовых/глубоких ультрафиолетовых светоизлучающих диодах, ультрафиолетовых лазерных диодах и ультрафиолетовых детекторах.
Кроме того, AlN может образовывать непрерывный твердый раствор с нитридами группы III, такими как GaN и InN, а его тройные или четверные сплавы могут обеспечивать непрерывную перестройку ширины запрещенной зоны от видимого диапазона до глубокого ультрафиолетового диапазона, что делает его важным высокоэффективным люминесцентный материал с высокими эксплуатационными характеристиками.
Субстрат
Кристаллы AlN являются идеальными подложками для эпитаксиальных материалов GaN, AlGaN и AlN.
По сравнению с подложками из сапфира или карбида кремния, AlN имеет лучшее термическое согласование и химическую совместимость с GaN, а также меньшее напряжение между подложкой и эпитаксиальным слоем.
Следовательно, когда кристалл AlN используется в качестве эпитаксиальной подложки GaN, плотность дефектов в устройстве может быть значительно снижена, производительность устройства может быть улучшена, и оно имеет хорошие перспективы для применения в производстве высокотемпературных высокотемпературных материалов. частота и мощные электронные устройства.
Кроме того, использование кристалла AlN в качестве подложки из эпитаксиального материала AlGaN с высоким содержанием оксида алюминия (Al) также может эффективно снизить плотность дефектов в нитридном эпитаксиальном слое и значительно улучшить характеристики и срок службы нитридного полупроводникового устройства.
Керамика и огнеупоры
Нитрид алюминия может быть использован в качестве конструкционной керамики.
Керамика из нитрида алюминия обладает хорошими механическими свойствами, более высокой прочностью на изгиб, чем керамика Al2O3 и BeO, высокой твердостью и устойчивостью к высокотемпературной коррозии. Следовательно, керамика AlN может использоваться для изготовления деталей, устойчивых к высокотемпературной коррозии, таких как тигли и чаши для выпаривания алюминия.
Чистая керамика AlN представляет собой бесцветные и прозрачные кристаллы с отличными оптическими свойствами, которые можно использовать для изготовления высокотемпературных инфракрасных окон для электронно-оптического оборудования и термостойких покрытий для обтекателей.
Композитные материалы
Композитный материал на основе эпоксидной смолы/AlN используется в качестве упаковочного материала и требует хорошей теплопроводности и рассеивания тепла. Являясь полимерным материалом с хорошими химическими свойствами и механической стабильностью, эпоксидная смола легко отверждается и имеет низкую усадку, но ее теплопроводность невысока. Добавление наночастиц AlN с превосходной теплопроводностью в эпоксидную смолу может эффективно улучшить теплопроводность и прочность композитов.
Advanced Ceramics Supplier 