Aluminiumnitrid är ett slags keramiskt material med utmärkta omfattande egenskaper. Det syntetiserades artificiellt för första gången 1877, men det har ingen praktisk tillämpning under de följande 100 åren, och det används endast som kvävefixerare för gödningsmedel.
Aluminiumnitrid är en kovalent förening med en liten självdiffusionskoefficient och hög smältpunkt, så det är svårt att sintra.
Med den fördjupade forskningen börjar produktionsprocessen av aluminiumnitrid att bli mogen, och dess tillämpningsområde utökas också.
Sedan början av 2000-talet, med den snabba utvecklingen av mikroelektronikteknik, utvecklas elektroniska kompletta maskiner och elektroniska komponenter i riktning mot miniatyrisering, låg vikt, integration, hög tillförlitlighet och hög effekt, och fler och mer komplexa enheter, högre krav ställs på värmeavledning av substrat och förpackningsmaterial, vilket ytterligare främjar utvecklingen av aluminiumnitridindustrin.
Aluminiumnitridegenskaper
Struktur
Aluminiumnitrid (AlN) är en kovalent bindningsförening med en hexagonal wurtzitstruktur med gitterparametrarna a=3,114 och c=4,986.
Ren aluminiumnitrid är blåvit, vanligtvis grå eller benvit, och är ett typiskt tredje generationens halvledarmaterial med breda bandgap.
Prestanda
Aluminiumnitrid (AlN) har egenskaperna hög hållfasthet, hög volymresistivitet, hög isoleringsmotståndsspänning, termisk expansionskoefficient och bra matchning med kisel.
Inom området för keramiska elektroniska substrat och förpackningsmaterial är dess prestanda mycket bättre än aluminiumoxid.
Tekniska data
Värmeledningsförmåga W/(m·K): 320 (teoretiskt värde)
Termisk expansionskoefficient 10^-5／℃: 4,5
Isoleringsegenskaper: Rumstemperaturmotstånd 10^14 Ω·cm / Nedbrytningsfältstyrka 11,7 x 10^6 V/cm
Dielektrisk konstant: 8,8
Bandgap: 6,2 eV
Mekaniska egenskaper vid rumstemperatur: Hårdhet 12GPa, elasticitetsmodul 314GPa / Böjhållfasthet 300~400 MPa
Mekaniska egenskaper vid hög temperatur: 20 % lägre vid 1300 ℃ (jämfört med egenskaper vid rumstemperatur)
Övrigt: Giftfritt, hög temperatur korrosionsbeständighet, normal trycknedbrytningstemperatur 2000 ~ 2450 ℃
Jämfört med flera andra keramiska material har aluminiumnitridkeramik utmärkta heltäckande egenskaper, är mycket lämpliga för halvledarsubstrat och strukturella förpackningsmaterial och har stor användningspotential inom elektronikindustrin.
Värmeledningsmekanismer
Den mest anmärkningsvärda egenskapen hos aluminiumnitrid är dess höga värmeledningsförmåga.
Den huvudsakliga värmeledningsmekanismen för aluminiumnitrid: Värmeöverföring genom gitter- eller gittervibrationer, det vill säga med hjälp av gittervågor eller värmevågor.
Teoretiskt kan värmeledningsförmågan för AlN nå 320 W/(m·K), men den termiska ledningsförmågan för den faktiska produkten är mindre än 200 W/(m·K) på grund av föroreningar och defekter i AlN. Detta beror på att de strukturella elementen i kristallen inte kan fördelas helt jämnt, och det finns alltid glesa och täta olika regioner, så bärarfononerna kommer alltid att störas och sprids under fortplantningsprocessen.
Användning av aluminiumnitrid
Högeffektelektronik
Aluminiumnitrid har hög resistivitet, hög värmeledningsförmåga (8-10 gånger den för Al2O3) och en låg expansionskoefficient som liknar den för kisel. Det är ett idealiskt material för elektroniska enheter med hög temperatur och hög effekt.
Elektroniskt förpackningssubstrat
Vanligt använda keramiska substratmaterial inkluderar berylliumoxid, aluminiumoxid, aluminiumnitrid, etc. Bland dem är värmeledningsförmågan hos aluminiumoxidkeramiskt substrat låg och värmeutvidgningskoefficienten matchar inte den för kisel; Även om berylliumoxid har utmärkta egenskaper, är dess pulver mycket giftigt.
Bland de befintliga keramiska materialen som kan användas som substratmaterial har kiselnitridkeramik den högsta böjhållfastheten och god slitstyrka och är de keramiska materialen med de bästa heltäckande mekaniska egenskaperna, medan deras värmeutvidgningskoefficient är den minsta. Aluminiumnitridkeramik har hög värmeledningsförmåga, god värmechockbeständighet och har fortfarande goda mekaniska egenskaper vid höga temperaturer.
Ur prestandasynpunkt är aluminiumnitrid och kiselnitrid för närvarande de mest lämpliga materialen för elektroniska förpackningssubstrat, men deras nackdel är den höga kostnaden.
Självlysande material
Den maximala bredden på det direkta bandgapet av aluminiumnitrid är 6,2 eV, vilket har högre fotoelektrisk omvandlingseffektivitet än halvledare med indirekt bandgap. Som ett viktigt blått och ultraviolett ljusemitterande material används AlN i ultravioletta/djupa ultravioletta ljusemitterande dioder, ultravioletta laserdioder och ultravioletta detektorer.
Dessutom kan AlN bilda en kontinuerlig fast lösning med grupp III-nitrider som GaN och InN, och dess ternära eller kvartära legeringar kan uppnå kontinuerlig avstämning av dess bandgap från det synliga bandet till det djupa ultravioletta bandet, vilket gör det till ett viktigt hög- prestanda självlysande material.
Substrat
AlN-kristaller är idealiska substrat för GaN, AlGaN och AlN epitaxiella material.
Jämfört med safir- eller SiC-substrat har AlN bättre termisk matchning och kemisk kompatibilitet med GaN, och mindre spänning mellan substratet och det epitaxiella lagret.
Därför, när AlN-kristall används som ett GaN-epitaxiellt substrat, kan defektdensiteten i enheten reduceras avsevärt, enhetens prestanda kan förbättras och den har goda möjligheter att använda vid produktion av högtemperatur, hög- frekvens och elektroniska enheter med hög effekt.
Dessutom kan användning av AlN-kristall som AlGaN-epitaxialmaterialsubstrat med hög aluminiumoxid (Al)-sammansättning också effektivt minska defektdensiteten i nitrid-epitaxialskiktet och avsevärt förbättra prestanda och livslängd för nitridhalvledaranordningen.
Keramik och eldfast material
Aluminiumnitrid kan användas som en strukturell keramik.
Aluminiumnitridkeramik har goda mekaniska egenskaper, högre böjhållfasthet än Al2O3- och BeO-keramik, hög hårdhet och korrosionsbeständighet vid hög temperatur. Därför kan AlN-keramik användas för att tillverka högtemperaturkorrosionsbeständiga delar såsom deglar och Al-avdunstningsskålar.
Ren AlN-keramik är färglösa och transparenta kristaller med utmärkta optiska egenskaper, som kan användas för att tillverka infraröda högtemperaturfönster för elektronisk optisk utrustning och värmebeständiga beläggningar för kåpor.
Kompositmaterial
Epoxiharts/AlN-kompositmaterialet används som förpackningsmaterial och behöver god värmeledningsförmåga och värmeavledning. Som ett polymermaterial med goda kemiska egenskaper och mekanisk stabilitet är epoxiharts lätt att härda och har låg krympning, men dess värmeledningsförmåga är inte hög. Att lägga till AlN-nanopartiklar med utmärkt värmeledningsförmåga till epoxiharts kan effektivt förbättra värmeledningsförmågan och styrkan hos kompositer.
Advanced Ceramics Supplier 