氮化铝的热导率：需要了解的知识

氮化铝在陶瓷领域的进步促进了其在科学领域的应用。氮化铝在导热性和电绝缘性方面表现出色。此外，氮化铝还具有在加工过程中不会对工人健康造成危害的优点。因此，氮化铝被认为比其他竞争陶瓷更优越。

AlN 的性质：快速参考指南

以下是一份快速指南，助您了解氮化铝的所有特性。表格将帮助您评估氮化铝的使用环境。

氮化铝是如何合成的？

氮化铝可以通过氧化铝直接氮化制备。另一种生产方法包括氧化铝碳热还原。氮化铝中的共价键非常强，这使得烧结更加困难。通过烧结制备氮化铝时，需要使用液态特殊添加剂。

生产先进陶瓷的方法有很多种。全球氮化物陶瓷的生产主要采用等静压或干压工艺。其他方法包括陶瓷注射成型或低压注射成型。AlN 的烧结方法包括放电等离子烧结、无压烧结和微波烧结。

氮化物陶瓷的成型工艺分为干法和湿法两种。干法成型包括普通成型和冷等静压成型。湿法成型用于制造复杂形状的陶瓷。湿法成型方法包括滑模成型、流延凝胶浇铸成型和注射成型。

氮化铝物理性质详述

氮化铝，顾名思义，是指由氧化铝构成的固态氮化物。它具有宽带隙。较小的原子质量和较高的原子间键使陶瓷具有较高的强度。它通常遵循纤锌矿晶体结构，也具有亚稳态立方相。

铝的导热系数在150 - 320 W/m K之间。氮化铝的电导率约为10-11至10-13。掺杂后，电导率会降至10-5或10-6。纤锌矿相的铝通常应用于光电子领域。

AlN 在约 2200 摄氏度的高温下保持稳定。其形貌由表面氧化层组成，可在 1370 摄氏度的工作温度下保护材料。就耐腐蚀性而言，AlN 易受碱和无机酸的侵蚀。然而，氮化物陶瓷能够抵抗熔盐的侵蚀。

AlN 特性：概览

以下是 AlN 主要特性的简要概述

• 运行温度高

• 导热性能优异，比氧化铝高5倍

• Aln的CTE值较低

• 介电常数值较小

• 良好的电阻率和绝缘性能

• 抗压性好

• 除酸和碱外，具有良好的耐腐蚀性

• AlN 的纯度较高

氮化铝热膨胀系数

热膨胀系数能让我们直观地了解材料的温度行为。先进陶瓷以其较低的热膨胀系数而闻名。热膨胀系数 (CTE) 值能让我们了解材料在施加温度下的膨胀情况。然而，在加热作用下，材料膨胀时原子结构保持稳定。

与金属相比，氮化铝 (AlN) 等先进陶瓷的热膨胀系数仅为金属的一半。较低的热膨胀系数使其在压缩状态下仍能保持机械强度。就热膨胀系数而言，氧化锆和氧化铝最高，而氮化硅和碳化物最低。

 在 300 K 的工作温度范围内，氮化铝的 CTE 沿 x 轴和 z 轴的范围为 5.3 至 4.2 (x 10-6) K-1。氮化铝的 CTE 被认为与硅相当。

陶瓷基板的热膨胀系数与效率

尽管AlN具有良好的温度传递性能和电阻特性，有助于微电子技术的发展，但让我们看看CTE对Aln基陶瓷基板的工作有何影响。

DBC基板热膨胀的影响

DBC基板采用Aln或氮化硅与铜键合而成。Aln、Cu和SiN之间的热膨胀差异（分别为4.5 ppm、17 ppm和3 ppm）会导致较高的机械应力。这种应力会导致几何结构出现裂纹。这些裂纹是由于陶瓷在加热和冷却过程中受到冲击循环而形成的。

因此，热膨胀系数 (CTE) 的管理对于陶瓷基板的长期工作至关重要。上文对不同陶瓷材料的热膨胀系数 (CTE) 进行了比较。

氮化铝的热导率

热导率衡量的是材料允许热能穿过物体的能力。氮化铝的热导率很高。此外，它们还具有较高的电阻率，这使得它们成为一种优秀的散热材料。陶瓷的导热率受多种特性的影响。

杂质的存在会对传热产生较大影响。据说，随着氧杂质含量的增加，AlN 的导热率会升高。此外，晶格中存在的空位数量或硅和碳杂质会降低导热率。

AlN 的热性能可在生产过程中控制。微观结构的变化和加工过程中的不同条件有助于改变热流。高纯度粉末的使用和烧结方法显著提高了热导率。

AlN 的热导率为何优于 BeO？

BeO和AlN这两种陶瓷都具有较高的热导率，因此可以用于高温应用。让我们来探讨一下AlN在哪些方面优于BeO。

氧化铍（BeO）

BeO 的热导率在 330 W/Mk 左右。它们主要用于对热管理至关重要的场合。氧化铍因其优异的导热性，常被用作基材和绝缘体。其他应用包括制造微波管，因为微波管的热稳定性至关重要。

BeO的问题在于其毒性。氧化铍具有危险性，需要小心处理。而处理BeO时，陶瓷的回收和再利用则相当困难。

氮化铝（AlN）

氮化铝的电导率在170-210 W/mK范围内，略低于氧化铍 (BeO)。在注重无毒的领域，氮化铝陶瓷的应用十分广泛。氮化铝陶瓷用于LED和半导体电子器件的散热。由于氮化铝具有明显的优势，在电力电子应用中比氧化铍 (BeO) 更受青睐。

氮化铝具有高电阻和热稳定性，使其成为更佳的绝缘材料。氮化铝是高温应用的首选材料，也用于消费类电子产品中，以预防任何不安全的操作情况。

各种陶瓷的导电性：概述

上图比较了不同陶瓷材料的电导率。一般来说，电导率较低的材料更适合用作电绝缘体。从表中可以看出，氧化锆的电导率较低，因此适合用作绝缘体。氮化铝（AlN）的热导率非常高，因此散热性能也很好。

AlN 的导电性在高功率 LED 和二极管中发挥着重要作用。这些器件通常会产生热量。AlN 的散热特性有助于防止过热。这提高了可靠性并确保了更长的使用寿命。

测量 AlN 热导率的两种常用技术是热线法和瞬态热条法。

AlN的工业用途

氮化铝陶瓷的常见工业用途如下：

• 耐火：氮化铝是一种良好的耐火材料。它可用作坩埚内衬或为铸造模具及相关配件提供结构支撑。

• 电子基板：AlN 基板用于军用多芯片模块。它们在电力电子器件、激光二极管和 LED 散热器中用作散热板。其良好的散热性能源于其优异的导电性。

• 汽车：氮化铝用于热力和燃气混合汽车点火发动机。它们在高温下稳定。

• 包装材料：氮化铝是耐热、耐用的良好封装材料。

结论

氮化铝的引入使其在高温工程应用中拥有了最佳性能。其优异的导热性使其能够在电力电子领域生产出高效的散热元件。简而言之，氮化铝的优点之一就是其能够提高材料的使用寿命和性能。