氮化铝(AlN)是一种新型无机材料

发布日期:2020/11/12 14:05:34

简介

氮化铝，共价键化合物，是原子晶体，属类金刚石氮化物、六方晶系，纤锌矿型的晶体结构，无毒，呈白色或灰白色。

性质

AlN最高可稳定到2200℃。室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢。导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。氮化铝还是电绝缘体，介电性能良好，用作电器元件也很有希望。砷化镓表面的氮化铝涂层，能保护它在退火时免受离子的注入。氮化铝还是由六方氮化硼转变为立方氮化硼的催化剂。室温下与水缓慢反应.可由铝粉在氨或氮气氛中800~1000℃合成，产物为白色到灰蓝色粉末。或由Al2O3-C-N2体系在1600~1750℃反应合成，产物为灰白色粉末。或氯化铝与氨经气相反应制得.涂层可由AlCl3-NH3体系通过气相沉积法合成。

AlN+3H2O==催化剂===Al（OH）3↓+NH3↑

历史

氮化铝于1877年首次合成。至1980年代，因氮化铝是一种陶瓷绝缘体(聚晶体物料为 70-210 W‧m−1‧K−1，而单晶体更可高达 275 W‧m−1‧K−1 )，使氮化铝有较高的传热能力，至使氮化铝被大量应用于微电子学。与氧化铍不同的是氮化铝无毒。氮化铝用金属处理，能取代矾土及氧化铍用于大量电子仪器。氮化铝可通过氧化铝和碳的还原作用或直接氮化金属铝来制备。氮化铝是一种以共价键相连的物质，它有六角晶体结构，与硫化锌、纤维锌矿同形。此结构的空间组为P63mc。要以热压及焊接式才可制造出工业级的物料。物质在惰性的高温环境中非常稳定。在空气中，温度高于700℃时，物质表面会发生氧化作用。在室温下，物质表面仍能探测到5-10纳米厚的氧化物薄膜。直至1370℃，氧化物薄膜仍可保护物质。但当温度高于1370℃时，便会发生大量氧化作用。直至980℃，氮化铝在氢气及二氧化碳中仍相当稳定。矿物酸通过侵袭粒状物质的界限使它慢慢溶解，而强碱则通过侵袭粒状氮化铝使它溶解。物质在水中会慢慢水解。氮化铝可以抵抗大部分融解的盐的侵袭，包括氯化物及冰晶石〔即六氟铝酸钠〕。

特性

(1)热导率高(约320W/m·K)，接近BeO和SiC，是Al2O3的5倍以上；

(2)热膨胀系数(4.5×10-6℃)与Si(3.5~4×10-6℃)和GaAs(6×10-6℃)匹配；

(3)各种电性能(介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度)优良；

(4)机械性能好，抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷，可以常压烧结；

(5)纯度高；

(6)光传输特性好；

(7)无毒；

(8)可采用流延工艺制作。是一种很有前途的高功率集成电路基片和包装材料。

应用

有报告指现今大部分研究都在开发一种以半导体（氮化镓或合金铝氮化镓）为基础且运行於紫外线的发光二极管，而光的波长为250纳米。在2006年5月有报告指一个无效率的二极管可发出波长为210纳米的光波。以真空紫外线反射率量出单一的氮化铝晶体上有6.2eV的能隙。理论上，能隙允许一些波长为大约200纳米的波通过。但在商业上实行时，需克服不少困难。氮化铝应用於光电工程，包括在光学储存介面及电子基质作诱电层，在高的导热性下作晶片载体，以及作军事用途。

由于氮化铝压电效应的特性，氮化铝晶体的外延性伸展也用於表面声学波的探测器。而探测器则会放置於矽晶圆上。只有非常少的地方能可靠地制造这些细的薄膜。

利用氮化铝陶瓷具有较高的室温和高温强度，膨胀系数小，导热性好的特性，可以用作高温结构件热交换器材料等。

利用氮化铝陶瓷能耐铁、铝等金属和合金的溶蚀性能，可用作Al、Cu、Ag、Pb等金属熔炼的坩埚和浇铸模具材料。

氮化铝陶瓷基板与氧化铝陶瓷基板对比

陶瓷基板今年来因为部分商家的工艺水平得到提高，生产的成本降低，通过率提升。目前陶瓷基板备受欢迎，在 LED 行业，汽车领域以及高科技电子方面应用广泛。在 LED 领域经常会用到陶瓷基板，根据应用的不同选择氧化铝陶瓷基板或者氮化铝陶瓷基板。

从三个方面分析一下氮化铝陶瓷基板与氧化铝陶瓷基板不同点。

一、导热率：同为陶瓷电路基板，但是有很大区别，氧化铝的导热率差不多是45W/(m·K)左右，氮化铝的导热率接近其 7 倍 ;

二、热膨胀系数：氧化铝陶瓷电路板的导热系数和氮化铝陶瓷电路板基本相同。导热率和热膨胀系数是最直接体现电路板性能的参数，相信大家已经能够比较直观看出氮化铝陶瓷电路板的优势，其实不光光是只是这两点，氮化铝陶瓷电路板可以将陶瓷电路板的易碎缺点降到最低，氮化铝陶瓷电路板的硬度会比氧化铝陶瓷电路板的硬度高很多。

三、应用市场的不同：氮化铝陶瓷基板多用于大功率散热比如 LED 大功率照明，或者需要绝缘性非常好的通讯产品领域；氧化铝陶瓷基板，一般多用于中小功率方面，也包括 LED 灯珠照明，以及传感器等产品上。