С 2023 года размер мирового рынка нитрида алюминия достиг 151,5 млн долларов США, и ожидается, что он продолжит расти с 2024 по 2032 год, с 159,8 млн долларов США до 246,5 млн долларов США. Это показывает важность нитрида алюминия как передового материала.
У вас есть некоторые знания о керамике из нитрида алюминия? В этой статье мы поможем вам полностью понять ключевые характеристики и прикладную ценность керамики из нитрида алюминия.
Быстрые ссылки
- Введение в керамику на основе нитрида алюминия
- Эксплуатационные свойства керамики из нитрида алюминия
- Процесс производства нитрида алюминия
- Применение керамики из нитрида алюминия
- Как выбрать изделия из нитрида алюминия?
Если у вас нет времени читать полную статью, мы подготовили список распространенных вопросов от других пользователей. Надеемся, эти быстрые ответы будут вам полезны.
Введение в керамику на основе нитрида алюминия
Что такое керамика из нитрида алюминия?
Керамика из нитрида алюминия изготовлены из нитрида алюминия, который представляет собой высокоэффективный неоксидный керамический материал, состоящий из элементов алюминия и азота, его химическая формула — AlN.
Керамика на основе нитрида алюминия обладает превосходными физическими и химическими свойствами, а ее цвет в практических применениях обычно имеет кремовый или светло-желтый оттенок.
Значение керамики на основе нитрида алюминия в современной промышленности
Возможно, вы обнаружите, что керамику из нитрида алюминия можно увидеть во многих местах повседневной жизни. Да, керамика из нитрида алюминия играет незаменимую роль в современной промышленности.
Керамика на основе нитрида алюминия, являясь высокопроизводительным электронным керамическим материалом, широко применяется в различных областях, таких как производство полупроводников, корпусирование светодиодов, мощное электронное оборудование и аэрокосмическая промышленность.
Среди них нитрид алюминия имеет теплопроводность более 170 Вт/мК и обладает превосходной электроизоляцией. Это редкое сочетание свойств делает его особенно подходящим для рассеивания тепла и изоляции в электронных приложениях.
Стоит отметить, что по сравнению с другим распространенным керамическим материалом, оксид алюминия (Al₂O₃), теплопроводность нитрида алюминия более чем в пять раз выше, чем у оксида алюминия. Кроме того, хотя оксид бериллия (BeO) имеет схожие тепловые свойства, у него есть серьезные проблемы с токсичностью, которые нитрид алюминия преодолевает, предоставляя более безопасную и столь же эффективную альтернативу.
Эксплуатационные свойства керамики из нитрида алюминия
Ниже для справки приведены некоторые свойства керамики на основе нитрида алюминия:
|
Категория производительности |
Показатели эффективности |
Параметр Значение |
Единица |
|
Тепловые свойства |
Теплопроводность (25℃) |
170-321 |
Вт/(м·К) |
|
Коэффициент теплового расширения (25-400℃) |
4.5 |
×10⁻⁶/℃ |
|
|
Максимальная рабочая температура (инертный газ) |
2200 |
℃ |
|
|
Температура начала окисления (воздух) |
700 |
℃ |
|
|
Электрические свойства |
Объемное сопротивление (25℃) |
＞1014 |
Ом·см |
|
Диэлектрическая постоянная скорость (1МГц) |
8.5-9.0 |
– |
|
|
Диэлектрические потери (1МГц) |
0.0005 |
– |
|
|
Пробивное напряжение Сила |
15-20 |
кВ/мм |
|
|
Механические свойства |
Плотность |
3.26 |
г/см³ |
|
Твердость по Виккерсу |
12 |
ГПа |
|
|
Прочность на изгиб |
350-420 |
МПа |
|
|
Модуль упругости |
320 |
ГПа |
|
|
Коэффициент Пуассона |
0.22 |
– |
|
|
Прочность на сжатие |
3000 |
МПа |
Тепловые свойства
Теплопроводность：
Наиболее примечательной особенностью керамики из нитрида алюминия является ее превосходная теплопроводность. При нормальных температурных условиях ее теплопроводность может достигать 321 Вт/(м·К), а в реальных приложениях теплопроводность поликристаллической керамики из нитрида алюминия обычно может превышать 170 Вт/(м·К). По этим превосходным показателям она значительно превосходит керамику из оксида алюминия.
Коэффициент теплового расширения：
Коэффициент теплового расширения керамики из нитрида алюминия также заслуживает вашего внимания. Его коэффициент теплового расширения совместим с кремнием. Коэффициент теплового расширения нитрида алюминия в диапазоне 25-400 ℃ составляет 4,5 × 10-6/℃, в то время как коэффициент теплового расширения кремния составляет 3,5-4 × 10⁻⁶/℃. Сравнение между ними показывает, что они очень близки. Поэтому при таком превосходном соответствии можно эффективно снизить накопление напряжений во время термоциклирования, тем самым значительно увеличив срок службы электронного оборудования.
Термическая стабильность:
С точки зрения термической стабильности керамика из нитрида алюминия по-прежнему обладает превосходными характеристиками и имеет чрезвычайно высокую термостойкость. В инертной атмосфере она может оставаться стабильной при высокой температуре 2200°C. Даже на воздухе поверхностное окисление не начнет происходить, пока температура не превысит 700°C, а поверхностный оксидный слой может, в свою очередь, защищать внутренний материал до 1370°C.
Электрические свойства
Электроизоляция：
При выборе правильного электронного керамического материала электрические свойства являются ключевым фактором, который нельзя игнорировать. Нитрид алюминия обладает исключительно превосходными электроизоляционными свойствами, а его объемное удельное сопротивление может достигать более 10¹⁴ Ω·см при комнатной температуре. Эти высокие изоляционные характеристики могут полностью гарантировать, что нитрид алюминия имеет чрезвычайно высокую надежность в высоковольтных электронных устройствах.
Диэлектрическая проницаемость/Диэлектрическая прочность：
Диэлектрическая проницаемость нитрида алюминия составляет около 8,5-9 (1 МГц), а диэлектрические потери - около 0,0005. Эти характеристики делают его идеальным выбором для высокочастотных электронных устройств. В то же время диэлектрическая прочность нитрида алюминия может достигать 15-20 кВ/мм, что эффективно улучшает изоляционную защитную способность.
Механические свойства
Керамика из нитрида алюминия также обладает различными превосходными механическими свойствами. Ее твердость по Виккерсу составляет около 12 ГПа, а прочность на изгиб может достигать 350-420 МПа. Эти превосходные механические прочности намного выше, чем у керамики из оксида алюминия, что позволяет ей сохранять хорошую надежность в суровых условиях.
Коррозионная стойкость
С точки зрения долговечности нитрид алюминия демонстрирует отличную устойчивость к химической коррозии. В условиях коррозии, вызываемой большинством расплавленных металлов (таких как медь, литий, алюминий и т. д.), нитрид алюминия ведет себя хорошо, и это свойство позволяет ему сохранять хорошую стабильность даже в агрессивных химических средах.
Стоит отметить, что нитрид алюминия также обладает превосходной усталостной прочностью. В условиях высокой температуры ослабление прочности нитрида алюминия составляет всего около 20% от прочности при комнатной температуре. По сравнению с обычным глиноземом, глинозем обычно теряет 50% своей прочности при тех же обстоятельствах.
Процесс производства нитрида алюминия
Вам интересно, как производится керамика из нитрида алюминия? Процесс производства керамики из нитрида алюминия напрямую влияет на ее конечные характеристики. Ниже мы познакомим вас с более глубоким пониманием нескольких ключевых этапов производства нитрида алюминия.
Синтез порошка нитрида алюминия
Синтез порошка нитрида алюминия является основой всего производственного процесса. В настоящее время используются два основных метода: карботермическое восстановление и прямое азотирование.
Метод карботермического восстановления заключается в реакции глинозема с углеродом в атмосфере азота при температуре 1500-1800°C. Этот метод относительно недорогой и подходит для крупномасштабного производства.
Метод прямого азотирования заключается в том, что металлический алюминиевый порошок напрямую реагирует с азотом. Этот метод позволяет получить продукт с более высокой чистотой.
Процесс формования
Формование является ключевым этапом в определении окончательной формы керамики. Основные методы формования включают сухое прессование, инжекцию, изостатическое прессование и т. д.
Формование методом сухого прессования：Этот метод формования подходит для керамических изделий с простыми формами, такими как подложки и субстраты. Равномерно сжимая порошок нитрида алюминия, он приобретает нужную форму.
Литье под давлением：Этот метод формования подходит для изготовления деталей сложной формы. Необходимо смешать порошок нитрида алюминия с органическим связующим до образования суспензии и ввести ее в форму для формования.
Изостатическое прессование:Этот метод формования подходит для изготовления крупногабаритных и правильной формы керамических изделий. Благодаря гидравлическому изостатическому прессованию можно обеспечить равномерную плотность изделия.
Процесс спекания
Спекание является очень важным этапом в процессе производства керамики, а также ключевым процессом для улучшения керамики из нитрида алюминия. Из-за характеристик ковалентной связи нитрида алюминия требуется особый контроль процесса спекания. Часто используются спекание горячим прессованием и двухэтапное спекание под давлением.
Если добавить соответствующее количество оксида иттрия (Y₂O₃) в качестве спекающей добавки, можно значительно снизить температуру спекания и увеличить плотность материала. Оптимальная температура спекания обычно контролируется в диапазоне 1650-1800℃.
Прецизионная обработка
При обработке керамики на основе нитрида алюминия необходимо учитывать высокие твердостные характеристики материала, и в настоящее время для прецизионной обработки в основном используют алмазный инструмент.
Экологическая обработка：Предварительное формование материала перед спеканием может значительно снизить сложность последующей обработки.
Шлифовка Полировка：Прецизионная шлифовка алмазными шлифовальными кругами обеспечивает идеальное качество поверхности.
Лазерная резка：Для тонких листов лазерная технология может использоваться для точной обработки.
Контроль качества
Строгий контроль качества гарантирует, что производимая керамика из нитрида алюминия
Для обеспечения стабильной работы керамики на основе нитрида алюминия необходимо осуществлять комплексный контроль качества в процессе производства：
Управление процессом：В ключевых процессах, таких как синтез и спекание, можно установить несколько точек обнаружения для мониторинга параметров процесса в режиме реального времени, например:
Мониторинг температурной кривой
Контроль компонентов атмосферы
Регулировка параметров давления
Проверка готовой продукции：Комплексная оценка качества готовой продукции с использованием современного контрольно-измерительного оборудования, такого как:
Тест на теплопроводность
Определение плотности
Анализ микроструктуры
Испытание механических характеристик
Применение керамики из нитрида алюминия
Электронная промышленность
В области электронной промышленности керамика на основе нитрида алюминия блистает своими превосходными эксплуатационными характеристиками.
При проектировании теплоотводящих подложек теплопроводность керамических подложек из нитрида алюминия превышает 170 Вт/мК, что значительно выше, чем у других керамических материалов (например, подложек из оксида алюминия). Эта превосходная теплопроводность позволяет быстро рассеивать и проводить тепло, выделяемое электронными устройствами, эффективно предотвращая локальный перегрев и улучшая стабильность и срок службы оборудования.
С точки зрения упаковки силовых устройств керамика из нитрида алюминия также особенно важна. Если у вас есть соответствующие изделия из нитрида алюминия, вы обнаружите, что они не только обладают превосходными характеристиками рассеивания тепла, но и имеют коэффициент теплового расширения, аналогичный коэффициенту кремниевых пластин. Такое соответствие значительно снижает возникновение термического напряжения и может значительно повысить надежность керамической упаковки. В то же время превосходная электроизоляция также обеспечивает безопасную работу силового устройства.
Полупроводниковая промышленность
В процессе производства полупроводников керамика на основе нитрида алюминия играет незаменимую роль.
Процесс обработки пластин требует предельно точного контроля температуры. Высокая теплопроводность и однородность температуры керамики из нитрида алюминия обеспечивают стабильность процесса обработки и качество продукта.
Электростатический патрон является ключевым устройством в процессе производства полупроводников. Отличные диэлектрические свойства и механическая прочность керамики из нитрида алюминия делают ее идеальным материалом для электростатических патронов. Она может сохранять стабильные электрические свойства в условиях высоких температур, а также обладает достаточной механической прочностью для многократного использования.
В высокочастотных устройствах низкие диэлектрические потери и возможности терморегулирования керамики из нитрида алюминия делают ее идеальным упаковочным материалом. Вы можете найти ее в микроволновых коммуникациях и радиочастотных устройствах.
Другие высокопроизводительные приложения
В оптоэлектронных изделиях керамика на основе нитрида алюминия может использоваться не только в качестве теплоотводящих подложек для лазерных устройств, но и в качестве диэлектрических слоев для оптических носителей информации.
Аэрокосмическая промышленность чрезвычайно требовательна к выбору материалов. Нитрид алюминия широко используется в различных важных областях, таких как аэрокосмическое электронное оборудование и спутниковая связь, благодаря своей высокой температурной стабильности, изоляции и превосходной механической прочности.
В военной сфере нитрид алюминия также очень важен. От компонентов рассеивания тепла радиолокационных систем до ключевых компонентов навигационного оборудования керамика из нитрида алюминия играет важную роль. Ее превосходные комплексные характеристики могут гарантировать, что военное оборудование может использоваться стабильно даже в чрезвычайно суровых условиях.
В сфере военной промышленности применение керамики из нитрида алюминия также очень важно. От теплоотводящих компонентов радиолокационных систем до ключевых компонентов навигационного оборудования керамика из нитрида алюминия играет важную роль. Ее превосходные комплексные характеристики обеспечивают надежную работу военной техники в экстремальных условиях.
Как выбрать изделия из нитрида алюминия?
Если вам нужны изделия из нитрида алюминия, но вы не знаете, как их выбрать, то следующая информация может вам помочь.
Выбор подложки из нитрида алюминия
Если вам нужна подложка из нитрида алюминия, вы можете обратиться к следующим ключевым параметрам.
Стандартный диапазон толщины подложки обычно составляет от 0,25 мм до 2,0 мм, а площадь может достигать 150 мм×200 мм.
В зависимости от требований к применению можно выбрать различные марки подложек с теплопроводностью от 170 Вт/мК до 230 Вт/мК.
Шероховатость поверхности контролируется в пределах Ra 0,3-0,5 мкм, а плоскостность контролируется в пределах 2% на миллиметр.
Чтобы гарантировать соответствие вашего заявления, мы рекомендуем вам сосредоточиться на следующих параметрах:
Допуск по размеру: лучше всего контролировать его в пределах ±0,1 мм.
Равномерность толщины: стандартное отклонение не превышает 5%
Совместимость металлизации: в зависимости от области применения вы можете выбрать различные варианты металлизации, такие как вольфрам или молибден.
Обработка поверхности: полировка, пескоструйная обработка и другие методы обработки могут быть выбраны в соответствии с потребностями.
Выбор охлаждающего компонента
При выборе правильного узла охлаждения важно учитывать как требования к рассеиванию тепла, так и доступное монтажное пространство. Для приложений с высокой мощностью мы рекомендуем продукты с теплопроводностью более 200 Вт/мК. Кроме того, если для вашего приложения требуется более высокая производительность рассеивания тепла, вы можете дополнительно повысить эффективность, нанеся термопасту или используя термопрокладки.
Предложения индивидуальных решений
Мы рекомендуем вам выбрать индивидуальное решение на основе вашего сценария применения. Ключевые моменты, на которые вам следует обратить внимание:
- Уточнить диапазон температур рабочей среды
- Уточнить требования к максимальной плотности мощности
- Уточнить ограничения по пространству установки
- Уточнить требования к интеграции системы охлаждения
Если вам нужна помощь, предоставьте нам подробные параметры применения, и мы сможем разработать для вас наиболее оптимальное решение, включая выбор материала, проектирование конструкции, обработку поверхности и т. д. Свяжитесь с нами сейчас.
Экономически эффективно
На стоимость изделий из нитрида алюминия из керамики в основном влияют следующие факторы:
Марка материала: чем выше выбранная вами теплопроводность, тем выше стоимость.
Точность обработки: чем выше выбранные вами требования к точности, тем выше стоимость обработки.
Размер партии: если вы производите продукцию большими партиями, вы можете значительно снизить себестоимость единицы продукции.
Чтобы помочь вам достичь наилучшего соотношения затрат и выгод, мы рекомендуем:
Для приложений с низким энергопотреблением рекомендуется выбирать стандартный продукт класса 170 Вт/мК, который может удовлетворить ваши основные потребности и при этом контролировать расходы.
Для приложений средней мощности рекомендуется выбирать продукт класса 200 Вт/мК, который обеспечивает баланс между производительностью и стоимостью.
Высокомощные приложения，Рекомендуется выбирать продукцию класса 230 Вт/мК. Хотя ее первоначальная стоимость выше, она может обеспечить наилучшую производительность рассеивания тепла и продлить срок службы оборудования, эффективно снижая общие эксплуатационные расходы.
Заключение
Керамика из нитрида алюминия — идеальный материал для многих отраслей промышленности. Спасибо за чтение и надеюсь, что это вам поможет.
узнать больше.
Часто задаваемые вопросы.
1.Какова химическая формула нитрида алюминия (AlN)?
Химическая формула нитрида алюминия — AlN, который состоит из атомов алюминия (Al) и атомов азота (N) в стехиометрическом соотношении 1:1. В его структуре алюминий и азот образуют ковалентную связь, и он представляет собой стабильное кристаллическое соединение со структурой вюрцита.
2.Какова теплопроводность керамики на основе нитрида алюминия?
Керамика из нитрида алюминия имеет отличную теплопроводность при комнатной температуре, около 170-321 Вт/(м·К), а теоретическая максимальная теплопроводность составляет 321 Вт/(м·К). Поликристаллический AlN, который вы видите на рынке, обычно может достигать значений выше 170 Вт/(м·К), что более чем в пять раз выше, чем у оксида алюминия.
3. Каковы различия в эксплуатационных характеристиках нитрида алюминия и оксида алюминия (Al₂O₃)?
Нитрид алюминия превосходит оксид алюминия по нескольким ключевым показателям.
- Теплопроводность нитрида алюминия (>170 Вт/м·К) в пять раз выше, чем у оксида алюминия (20-30 Вт/м·К).
- Нитрид алюминия лучше противостоит тепловому удару, чем оксид алюминия, а его коэффициент теплового расширения лучше соответствует коэффициенту кремния.
- В случаях, когда теплопроводность не имеет решающего значения, оксид алюминия может обеспечить значительную экономию средств.
4. Какова температура плавления керамики из нитрида алюминия?
Температура плавления нитрида алюминия в инертном газе составляет около 2200°C. Однако необходимо учитывать, что в вакуумной среде нитрид алюминия начнет разлагаться при 1800°C.
На воздухе поверхность нитрида алюминия начнет окисляться при температуре 700°C, образуя защитный слой, который может защитить внутренний материал от сохранения стабильности до температуры 1370°C.
5. Каковы стандартные характеристики толщины подложек из нитрида алюминия?
Толщина стандартных подложек из нитрида алюминия составляет 0,25-2,0 мм. Кроме того, общие спецификации включают 0,25 мм, 0,38 мм, 0,63 мм и 1,0 мм, а допуск размеров обычно контролируется в пределах ±0,1 мм.
Толщину можно настраивать в соответствии с конкретными требованиями к применению, а шероховатость поверхности лучше всего поддерживать на уровне Ra 0,3–0,5 мкм.
6. Какова диэлектрическая проницаемость керамики из нитрида алюминия?
Диэлектрическая проницаемость керамики на основе нитрида алюминия составляет 8,5–9,0 на частоте 1 МГц.
7. Насколько хорошо коэффициент теплового расширения нитрида алюминия совпадает с коэффициентом кремния?
Коэффициент теплового расширения нитрида алюминия (4,5×10⁻⁶/°C) очень близок к коэффициенту кремния (3,5-4×10⁻⁶/°C), что помогает минимизировать термическое напряжение в полупроводниковых приложениях. Такая совместимость делает нитрид алюминия идеальной подложкой для устройств на основе кремния, значительно снижая риск растрескивания при термоциклировании.
8. Насколько хороши изоляционные свойства керамики на основе нитрида алюминия?
Керамика из нитрида алюминия обладает превосходными изоляционными свойствами. При комнатной температуре ее объемное сопротивление превышает 10¹⁴ Ом·см. Кроме того, она сохраняет высокую диэлектрическую прочность 15-20 кВ/мм, что делает ее прекрасным изолятором.
9. Каковы типичные области применения керамических подложек из нитрида алюминия?
Керамические подложки из нитрида алюминия могут использоваться в различных отраслях промышленности.
- В области силовой электроники его можно использовать в качестве теплоотводящей подложки для высокомощных и IGBT-модулей.
- В светодиодной промышленности его можно использовать в качестве материала для терморегулирования светодиодов высокой яркости.
- В полупроводниковой промышленности подложки из нитрида алюминия в основном используются в оборудовании для обработки пластин и в ВЧ/СВЧ-оборудовании.
- Подложки из нитрида алюминия также играют важную роль в аэрокосмической и военной областях и в основном используются в различных изделиях для рассеивания тепла.
10. Нитрид алюминия — это ионное или ковалентное соединение?
Нитрид алюминия — ковалентное соединение. Его особенностью является наличие прочной ковалентной связи между атомами алюминия и атомами азота. Такая структура придает нитриду алюминия высокую теплопроводность и превосходную механическую прочность. Но нужно знать, что очевидная разница электроотрицательности между атомами алюминия и атомами азота приводит к некоторым полярным характеристикам, хотя общая связь по-прежнему в основном ковалентная.
11. Какова механическая прочность керамики из нитрида алюминия?
Керамика из нитрида алюминия демонстрирует впечатляющие механические свойства с прочностью на изгиб 350-420 МПа и прочностью на сжатие около 3000 МПа. Материал имеет твердость по Виккерсу 12 ГПа и модуль Юнга 320 ГПа. Эти механические свойства обеспечивают надежную работу в сложных условиях, особенно при воздействии циклов термических и механических напряжений.
12. Каковы преимущества керамики на основе нитрида алюминия в корпусах светодиодов?
Основными преимуществами нитрида алюминия являются: превосходная теплопроводность, позволяющая эффективно рассеивать тепло, выделяемое мощными светодиодами; электроизоляция, обеспечивающая безопасную эксплуатацию; коэффициент теплового расширения, соответствующий коэффициенту полупроводниковых материалов, что снижает термическую нагрузку.
13. Какие преимущества имеет нитрид алюминия по сравнению с оксидом бериллия (BeO)?
Тепловые свойства нитрида алюминия сопоставимы со свойствами оксида бериллия, а нитрид алюминия совершенно нетоксичен. Оксид бериллия очень токсичен при обработке или обращении, поэтому нитрид алюминия будет более экономически эффективным в крупномасштабных производственных приложениях.
14. Какие процессы обработки поверхности доступны для керамики из нитрида алюминия?
Процессы обработки поверхности керамики на основе нитрида алюминия включают прецизионную шлифовку, алмазную полировку и различные процессы металлообработки.
- Обработка поверхности позволяет достичь значений шероховатости Ra 0,3-0,5 мкм.
- Металлизация включает в себя вольфрамовые, молибденовые и медные шаблоны для электрических соединений.
- Специальные процессы обработки включают в себя повышение смачиваемости поверхности, улучшение адгезии материалов термоинтерфейса и т. д.