关于氮化铝的调研报告

关于氮化铝的调研报告

摘要：本篇介绍了氮化铝的理化性质，功能作用、实际生活运用，制备方法，发展历史进程等一些知识。

近年来电子设备向高速,小型、高效率、高可靠性，半导体器件向高集成、大规模、多片状、高效率，电路配线向微细、短线、低电阻方向发展。例如为了使计算机运行速度更快需要在集成电路基片上排布更多的线路。集成电路技术朝高集成度、高运算速度、大功率方向发展，因此集成块单位体积内产生的热量大幅度的增加，每块的基片所需传送的功率也将大幅度的增加，假如这些热量不能通过集成块的基片迅速散发出去，集成块难以正常工作，情况严重时，可以导致集成块被烧坏。常用的基片主要有树脂基片、金属基片、陶瓷基片三大类。目前已用于实际和开发应用高导热基片有氧化铝、碳化硅、氧化铍、氮化铝、CVD-BN.碳化硅的热导率虽然高，但是电容大，电阻率低，绝缘性差。氧化铍毒性大，不利于实际运用。BN难以烧结致密，低密度的BN热导率、机械强度急剧恶化，无法做成绝缘材料。而氮化铝陶瓷是一种高技术新型陶瓷。氮化铝基板具有极高的热导率，无毒、耐腐蚀、耐高温,热化学稳定性好等特点。所以作为当今学材料化学的大学生，我们有必要了解AIN的知识。1862年氮化铝首次被合成以来，对其研究可以分为三个阶段：在20世纪初，仅用作固氮中间体，并有若干相关专利：50年代后期开始，随着非氧化物陶瓷受到重视，开始讲AIN作为一种新型材料来进行研究，侧重于将其作为结构材料运用：近10年来，AIN陶瓷的研究的热点是提高特传导性能，应用对象是电路基片封装材料，取得了显著地进展和成就. 然而由于AIN的制备工艺复杂，费财费力，所以氮化铝陶瓷基片到目前为止仍然不能进行大规模的生产和应用。但是氮化铝陶瓷的优越的性能，吸引了各国的很多科学工作者对其的研究，开发和应用。其中，日本从1984年开始推广应用，1985年几家主要著名的电子产品公司已经比较广泛，如东芝、日本电气。日立等公司。美国、英国、印度，德国、法国等国家也正加紧研究和开发它。

1 AIN为共价键性状,晶格常数a=3.110A,空间点群是P63mc：氮化铝属六方晶系，纤维锌矿型结构。纯品为蓝白色，通常为灰色或灰白色。

AIN的主要性能

性能指标备注

热学性能

热导率

理论值320W/(m.k)

为AI2O3值的2～3

倍

实际产品

200W/(m.k)

热膨胀系数 3.5*E-6/k(20℃)

与Si（3.4*E-6）相

近

电学性能绝缘性能

能隙宽度6.2饿

(20℃)

良好绝缘体

电容率8

与Si（3.4*E-6）相

近

力学性能室温力学性能

Hv=12Ga,E=314GPa, 与AI2O3相当

ɑ=400～500MPa

高温力学性能1300℃下降约20℅

热压Si3N4,AI2O3

下降约50℅

其他对熔融金属和盐类有优异抗侵蚀性，AIN薄膜可显著改善磁学

性能

根据社会的一些有权威的报纸、杂志可以知道氮化铝主要运用于大规模集成电路，半导体模块电路和大功率器件的理想封装材料、散热材料、电路元件及互连线承载体。也是提高高分子材料热导率和力学性能的最佳添加料，氮化铝陶瓷还可用作熔炼有色金属和半导体材料砷化镓的坩埚、热电偶的保护管、高温绝缘件、微波介电材料、耐高温、耐腐蚀结构陶瓷及透明氮化铝微波陶瓷制品，用作高导热陶瓷生产原料及树脂填料等。氮化铝是电绝缘体，介电性能良好。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。用作高导热陶瓷生产原料、ＡｌＮ陶瓷基片原料、树脂填料等。1、氮化铝粉末纯度高，粒径小，活性大，是制造高导热氮化铝陶瓷基片的主要原料。

2、氮化铝陶瓷基片，热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高，介电损耗小，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料。

3、氮化铝硬度高,超过传统氧化铝,是新型的耐磨陶瓷材料,但由于造价高,只能用于磨损严重的部位.

4、利用AIN陶瓷耐热耐熔体侵蚀和热震性，可制作GaAs晶体坩埚、Al蒸发皿、磁流体发电装置及高温透平机耐蚀部件，利用其光学性能可作红外线窗口。氮化铝薄膜可制成高频压电元件、超大规模集成电路基片等。

5、氮化铝耐热、耐熔融金属的侵蚀，对酸稳定，但在碱性溶液中易被侵蚀。AIN 新生表面暴露在湿空气中会反应生成极薄的氧化膜。利用此特性，可用作铝、铜、银、铅等金属熔炼的坩埚和烧铸模具材料。AIN陶瓷的金属化性能较好，可替代有毒性的氧化敏瓷在电子工业中广泛应用。

ALN陶瓷的制备工艺和性能均受到粉末特性的直接的影响。要获得高性能的氮化铝陶瓷必须有纯度高、烧结性能好的粉体作原料。氮化铝粉体中的氧化质会严重降低热导率，而粉末粒度、颗粒形态则对成形和烧结有重大的影响，因此粉体合成是氮化铝陶瓷生产的一个关键环节。

经过100多年的科学家的刻苦、努力的研究，当今用的较多的氮化铝粉末制备的方法有铝粉直接氮化法、氧化铝碳热还原法、气溶胶法、自蔓燃法、等离子合成法、含ALN键聚合物分解法、化学气相沉积法、水引发固相发应法、溶胶-凝胶法等一些方法。。

1)铝粉直接氮化法

ALN+N2→2ALN 将铝粉放入通有氮气与氨气的反应的反应炉中加热到600℃开始反应。这是一种思路简单而直接易行的方法，能合成大量纯度较高的ALN粉，没什么副反应，目前已经大规模的生产。但是这种方法一般难以得到颗粒微细、粒度均匀的氮化铝粉末，通常需要后处理。还有AL 颗粒表面氮化后形成ALN层会阻碍氮气向颗粒的中心的扩散，因此采用这种方法转化率也是一个重要的问题。

2）氧化铝的碳热还原法

Al203+3C+N2→2AlN+3CO

这种方法目前运用在工业生产中运用最为广泛，对其研究进行的比较深入.在该法中制备氮化铝粉体中常加入氧化钙、氟化钙、氧化钇等