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氮化铝薄膜,军民两用新材料

发表时间:2021-10-14 16:07作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

现代电子应用领域中一种非常热门的原材料——氮化铝(AlN)。其商业应用的潜力源自于其拥有良好的抗氧化性、抗化学侵蚀性、抗热震性、机械强度、低介电常数、与硅晶相近之热膨胀系数以及高热传导系数等,因此在高功率的电子、光电、机械等应用领域备受瞩目。


假若你不能很好地GET到氮化铝潜力之大,那不妨看看下方它各方面性能的具体参数:


01热学性能

    AlN的理论热导率为320W/m·K,实际制备的多晶AlN的热导率一般为100~260W/m·K,室温热导率为Al2O3的10~15倍,接近于BeO(理论热导率为350W/m·K),而在温度高于200℃时,导热性能又好于氧化铍;在25~400℃的范围内,纯AIN的热膨胀系数为4.4×10-6K-1,与硅的热膨胀系数(3.4×10-6K-1)相近。


02电学性能

    纯AIN的室温电阴率大于1014Ω·cm,是一种良好的绝缘材料;介电常数约为8.0(1MHz),与Al2O3相当;介电损耗为10-4(1MHz),绝缘耐压为14KV·mm-1,高的机电耦合系数(0.8%)、压电性和亲负产性。


03力学性能

    室温下,致密的AIN陶瓷的维氏硬度为12GPa,莫氏硬度7~8,杨氏模量为308GPa,抗弯强度可达350MPa,强度随温度的上升而下降比较缓慢,1300℃高温强度比室温强度约降低20%,而热压Si3N4、Al2O3一般要降低50%。


04化学性能

    AIN具有优良的高温抗腐蚀能力,不被铝、铜、银、铅、镍等多种金属浸润,也能在某些融盐中如砷化镓的融盐中稳定存在;AIN具有强烈的吸湿性,极易与空气中的水蒸气反应;在空气中,AIN的初始氧化温度为700~800℃。常压下,AIN不会融化,而是在2260-2500℃时发生热分解。


05其他性能

    蓝光和紫外光范围具有透光性、良好的抗电磁辐射以及电子和离子轰击能力、在所报道的相关材料中具有最高的表面声波传播速度等性能。

一项接一项,氮化铝性能优势之突出不必多言。不过要注意的是,氮化铝的制程由粉体开始,经成型、烧结、加工处理等程序制成,制程中每一步骤与最终产品皆与起始原料氮化铝粉体纯度特性息息相关,故高纯度氮化铝粉体的开发对于未来电子产业关键原物料的掌握极为重要。


氮化铝材料的应用


氮化铝薄膜因其多方面优异的性能,目前已经在多个民用和军用领域得到了厂泛的应用,尤其5G时代、新能源汽车时代以及人工智能时代的来临,更是让氮化铝薄膜大展身手。


在民用领域,氮化铝已经在集成电路、汽车、高铁、电力、半导体等领域得到了广泛应用,典型的如集成电路基板、IGBT控制模块、晶圆加工用静电吸盘、高功率LED散热器等。同时它也适用于制作耐热材料、薄膜材料、复合材料等。在军用领域,氮化铝已经在航空航天、国防武器、微波雷达等方面得到应用,典型的如船舶导航系统、导弹定位系统、地面雷达系统等等。


1.基板材料和封装材料


随着使用要求的提高,目前功率半导体器件需要同时具备高电压、大电流、大功率密度、小尺寸等特点,因此产生的热量十分可观。为此功率集成电路中的基板材料必须要同时具有良好的机械可靠性以及较高的热导率。

目前,封装基板材料主要采用氧化铝陶瓷或高分子材料,但随着对电子零件的承载基板的要求越来越严格,它们的热导率并不能满足行业的需求,而AlN因具有良好的物理和化学性能,完全满足现代电子功率器件发展的需要,逐步成了封装材料的首要选择。


2.晶圆加工用静电吸盘

现代半导体制造工艺中晶圆的加工过程有着多道工序,晶圆需要在几百个工艺设备之间来回传输,因此需要一种设备对晶圆进行夹持。静电吸盘可通过静电吸附作用来固定晶圆,吸附作用力均匀且持续稳定,晶圆不会发生翘曲变形,可以保证晶圆的加工精度和洁净程度。


目前普遍的静电吸盘技术主要是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体材料。对于普通的硅晶圆加工,高纯氧化铝或蓝宝石可以满足要求,但若用在碳化硅晶圆加工,导热性就有所不足了,必须要用氮化铝才能达到要求。据闻,氮化铝在半导体领域的应用在国外已成为氮化铝陶瓷的主要市场,最高端的静电吸盘甚至可以卖到几十万到上百万人民币,非常“吸金”。


3.高功率LED散热器

LED是继火、白炽灯、荧光灯后人类照明的第四次革命,得益于其各种优秀品质,LED受到了许多领域的青睐。但是LED使用上有个大问题就是“热”,一旦散热不及时就会有诸多不利影响,因此氮化铝在这一块的发展也得到了加速。比如说杀菌消毒市场上的深紫外LED,为了避免芯片性能降低甚至失效,目前市面上UVC-LED基本以倒装芯片搭配高导热氮化铝陶瓷基板的方案为主。


4.耐热材料

氮化铝材料因其优异的绝缘性能和热稳定性能,可用作高温绝缘件。此外,氮化铝与铝、铜、银、铂等金属和砷化镓等半导体材料熔融液难以浸润,适用于坩埚、热电偶保护管以及烧结器具,也可用作腐蚀性物质的容器和处理器。


此外,氮化铝对熔融盐是非常稳定的,可期待作为高温气体透平以从磁流体发电(MHD)等耐蚀部件使用。由于氮化铝在真空中蒸气压较低,高温下不易挥发,所以可用作金等蒸发器。非氧化气氛下直到2000℃下氮化铝都非常稳定的,因此可作为在非氧化气氛下使用的耐火材料的骨料来使用。


5.薄膜材料

由于AlN带隙宽、极化强,禁带宽度为6.2eV,其制备的氮化铝薄膜材料具有很多优异的物理化学性质,如高的击穿场强、高热导率、高电阻率、高化学和热稳定性以及良好的光学及力学性能。高质量的氮化铝薄膜还具有极高的超声传输速度、较小的声波损耗、相当大的压电耦合常数,与Si、GaAs相近的热膨胀系数等特点,独特的性质使它在机械、微电子、光学以及电子元器件、声表面波器件制造和高频宽带通信等领域有着广阔的应用前景。


氮化铝薄膜作为紫外发光源


6.复合材料

凭借优良的热力电综合性能,氮化铝可作为添加剂应用于复合材料的研制,如填充到有机高分子材料中制备高导热的有机高分子复合材料,作为封装材料使用;氮化铝增强铜基复合材料具有高导热、高强度和高温强度,提高基体软化温度;氮化铝和氮化钛复合陶瓷结合了高硬度、氧化温度高、耐磨性好以及高弹性模量的优点;氮化铝和铝的复合材料具有强度高、导热性能好等优点,可作为需要优异散热性能的结构材料。


5.其他应用

氮化铝还可应用于药品、化妆品、日用品、化学催化剂当中起到特殊作用。由于在高能量下呈现半延性的特征,氮化铝还可以用作防弹材料,在几种常用陶瓷防弹材料中,其防弹效率仅次于碳化硼(B4C)。


总而言之,氮化铝材料这一系列优良理化性能注定了它必然不凡。虽然已经有了相当广阔的应用市场,但相信氮化铝依旧还有许多值得发掘的地方,让我们拭目以待吧!

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