氮化铝陶瓷的热导率
氮化物导热系数和氧化物导热系数
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各种陶瓷材料热学参数
氮化铝AIN陶瓷结构和成份氮化铝AIN陶瓷结构和成份主要是以氮化铝(AIN)为主晶相的陶瓷。
AIN晶体以〔AIN4〕四面体为结构单元共价键化合物，具有纤锌矿型结构，属六方晶系。
化学组成AI 65.81%，N 34.19%，比重3.261g/cm3，白色或灰白色，单晶无色透明，常压下的升华分解温度为2450℃。
为一种高温耐热材料。
热膨胀系数（4.0-6.0）X10（-6）/℃。
多晶AIN热导率达260W/(m.k)，比氧化铝高5-8倍，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热。
此外，氮化铝具有不受铝液和其它熔融金属及砷化镓侵蚀的特性，特别是对熔融铝液具有极好的耐侵蚀性。
性能：AIN陶瓷的性能与制备工艺有关。
如热压烧结AIN陶瓷，其密度为3 .2一3 .3g/cm3，抗弯强度350一400 MPa(高强型900 MPa)，弹性模量310 GPa，热导率20-30W.m(-1).K(-1)，热膨胀系数5.6x10(-6)K(-1)(25℃一400℃)。
机械加工性和抗氧化性良好。
性能指标(1)热导率高(约320W/m·K)，接近BeO和SiC，是A l2O3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A l2O3和BeO陶瓷，可以常压烧结；(5)光传输特性好；(6)无毒；应用：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。
由于AIN陶瓷具有高导热、高绝缘性，可作为半导体的基体材料，其热阻与氧化被陶瓷相当，比氧化铝陶瓷低很多，可用作散热片、半导体器件的绝缘热基片，提高基片材料散热能力和封装密度，可用于双列直插式封装、扁平封装。
氮化铝陶瓷热导率
氮化铝陶瓷热导率
氮化铝陶瓷是一种高性能陶瓷材料，具有优异的力学，热学性能。
其中，热导率是评估氮化铝陶瓷性能的重要指标之一。
氮化铝陶瓷的热导率通常在20-40W/(m·K)范围内，是目前商业化热障涂层中最低的热导率之一。
这主要归因于氮化铝陶瓷具有较高的热稳定性和较低的热膨胀系数。
热稳定性是指材料在高温下仍能保持其物理和化学性质的能力。
氮化铝陶瓷的热稳定性非常高，能承受超过2000℃的高温。
这使其成为一种理想的热障涂层材料，能够有效地隔离高温气体和固体材料之间的热传递。
另外，氮化铝陶瓷具有较低的热膨胀系数，这意味着它在受热时不容易发生热应力和热裂化。
因此，氮化铝陶瓷热导率的低值和其优异的热学性能互相印证，证明它是一种高性能热障涂层材料。
在实际应用中，氮化铝陶瓷热导率的低值能够有效地减缓热传递速度，从而降低材料的温升。
这具有非常重要的应用意义。
例如，在航空、航天、发电和能源等领域，常常需要用到高温热工流体设备。
如果没有一种隔离层去减缓热传递，这些设备很容易受到高温气体和液体的腐蚀和破坏。
总之，氮化铝陶瓷具有优异的热学性能和良好的热稳定性，其低热导率可以有效地隔离高温气体和固体材料之间的热传递。
在实际应用中，氮化铝陶瓷被广泛应用于高温热工流体设备的隔热保护，具有重要的应用价值。
氮化铝陶瓷基板金属化及其应用
202010220微电子材料表面和散热基板之间存在极细微的凹凸不平的空隙，其在直接安装应用的时候空隙中均为空气，而空气的导热系数很小，会显著降低散热效果。
根据实践发现，电子元器件的温度每升高2℃，其可靠性和稳定性下降约10%，要想保证电子元器件的可靠正常运行，改善其散热环境至关重要。
目前市场上量产的氮化铝热导率普遍在170W/（m ·k ）以上，比氧化铝高4～7倍。
再加上氮化铝优良的导热性、可靠的电绝缘性、较低的介电常数与介电损耗、无毒且与硅相匹配的热膨胀系数被认为是第三代半导体导热基板和电子封装的理想材料。
1氮化铝陶瓷的性质氮化铝陶瓷是相对完美的封装用电子材料，表1为氮化铝的性质。
表1氮化铝的性质2氮化铝陶瓷基板金属化的方法2.1薄膜法薄膜法一般是指用真空蒸镀、磁控溅射、离子镀等真空镀的手段在氮化铝陶瓷基板表面附着一层较薄的金属层。
用薄膜法制备的金属化基板一般为多层金属基板，目前市场上常见的基板以Ti 系统浆料为主，然后再在Ti 层上沉积Ag 、Ni 、Cu 等。
必要的时候，还可以通过电镀或化学镀的方法增加金属层的厚度，一般是通过以下步骤实现的。
（1）清洗氮化铝陶瓷板表面，在氮化铝陶瓷板表面镀上设定厚度的钛导电层。
（2）将表面镀钛的氮化铝陶瓷板作为阴极，并置于盛有酸性硫酸铜镀液的电解槽中，精铜为阳极，控制阴极电流密度和电镀时间获得相应厚度的铜镀层。
（3）将表面先后镀覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于充满氩气的热处理炉中加热，当温度达到300～400℃时，保温25～30min ，钛导电层向氮化铝渗透形成过渡层。
（4）继续加热，当温度达到600～700℃时，保温10～15min ，并持续施加超声波使液态的单质铝振动流出，稳固TiN 冶金过渡层。
（4）进一步加热升温到800～900℃，并保温30～60min ，钛导电层向铜镀层渗透形成TiCu 冶金过渡层。
薄膜法制备的金属化基板线路精度高，适合对电路精度要求较高的电子器件封装。
注射成型氮化铝陶瓷低温烧结的研究
关 键 词 ：粉 末 注射 成 形 ；氮化 铝 ；烧 结 助 荆 ；高 热 导 率
０ 前 言
氮化铝（ １ ） ＡＮ 具有极高的热导率，其理论单晶热导率
为 ３０ ・ ２ Ｗ ｍ～ ・ ｋ～，介 电常数低 （ 约为 ８８ ，电绝缘 性好 ．）
摘 要：本 文通过使 用 Ｙ Ｏ 、Ｌ Ｏ 、１ ： ， ａ ： ａ ｉ ３ ） Ｏ 、Ｃ Ｆ 、Ｃ Ｏ作 为添加 荆 ，研究不 同添加 卉对 注射 成型低 温烧结 Ａ Ｎ提 高 Ｃ ｙ 】 １
致密度和热导率的作 用。实验 结果表 明，使 用 Ｌ Ｏ ，Ｃ Ｆ 和 Ｙ Ｏ ｉ ａ２ Ｃ ： ，作为 添加 剂，在低 温下获得 了高热导率 的 Ａ Ｎ陶瓷 。 １
实验找到 良好的烧结 助剂 ，采用 注射成 形低 温烧结性 能 优 良的 ＡＮ陶瓷。 １
实验 中使 用 的 粘结 剂属 于 热 塑性 粘 结 剂 ，在 中 等 温
度下 进行混 合 。 用Ｘ Ｚ— 型转矩 流变 仪将 已混合好 烧结 使 Ｎ Ｉ
基金项 目：国家 重点 基 础研 究 发 展计 划 （ ７ ） 日（ Ｇ ００ ６ ２ ３ ；北 京 市 粉 末 冶 金 先 进材 料 与 技 术 重 点 实 验室 开 放 课题 ９３ 项 Ｔ ２ ００ ７ ０ ）
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维普资讯
２０ ０ ６年 － ２期 第
注射成型氮化铝 陶瓷低温烧结的研究
中国材料科技 与设备 （ 双月刊 ）
助剂的 ＡＮ粉末与粘结 剂进行 混炼 。在 Ｃ５ Ｅ型注射 成 型 １ Ｊ０ 机将混炼好的喂料 加热 到熔 化温度 进行注 射成 型。成 形过 程所需 的时 间与模 腔尺 寸 、填 充 时间 、冷 却 时间 有关 Ｊ 。 所有注射坯均使 用溶脱 一热脱两 步法进行脱 脂 ，将 注射后 的试样 平整放入筛 子 中，在室 温下完 全浸入三 氯乙烯 溶液 ６ ，烘 干后 的成形坯 置于石 墨盒 中，用 氮化铝 粉为传 热和 ｈ 保护介 质 ，将盒 子放 入真 空热脱 脂炉 中 ，通入氮气 ，保持 １ ／ ｎ的流量进 行 热脱 脂 。脱 脂 后 的坯 体 置于 Ａ Ｎ坩 埚 Ｌ ｍｉ １ 中 ，在 氮气 流速 为 １０ ／ ｉ Ｖ Ｆ一１０ １０高温 真空烧 ． Ｌ ｍ ｎ的 Ｓ ５／ ５ 结炉中 ，在 １５ ℃分别烧结 ４ 、６ 。 ６０ ｈ ｈ
重点新材料关键技术产业化项目指标要求
CeBr3晶体器件尺寸达到φ50mm×50mm，光产额≥60000 ph/MeV，能量分辨率≤4% @662 keV，衰减时间≤20ns。
高纯无水LaBr3、CeBr3、EuI2等原料纯度≥99.99%，水、氧杂质含量≤100ppm。
17
乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH树脂）
单套装置规模达到万吨级/年。
（三）
高性能氟硅树脂
18
高性能氟树脂及单体
特种聚四氟乙烯可熔融加工，聚偏氟乙烯达到拉膜级，乙烯-四氟乙烯共聚物高透明、高抗污、易清洁、高强度、耐腐蚀，三氟氯乙烯共聚物可常温固化。单套装置规模达到千吨级/年。
19
高性能硅树脂及单体
硅树脂耐高温和高绝缘性，介电强度>30KV/mm，可在180℃以上温度条件下长期使用。重点发展苯基硅树脂、有机硅共聚改性环氧树脂、乙烯基硅油、苯基有机硅单体、乙烯基有机硅单体等。单套装置规模达到千吨级/年。
4
聚苯醚
具有较高的耐热性能和耐化学腐蚀性，吸水率低，热变形温度高（190℃），长期使用温度范围-127℃至121℃。单套装置规模达到万吨级/年。
5
聚酰亚胺类
具有高力学性能、耐紫外/辐射性能、特殊的耐高温，长期使用温度可达350ºC。单套装置规模达到百吨级/年。
6
半芳香族聚酰胺
拉伸强度>150MPa，弯曲强度>220MPa，热变形温度>280℃。单套装置规模达到万吨级/年。
二、先进有机材料
序号
产品
主要指标
一
高性能树脂
（一）
浅谈氮化铝的性质、制备及应用
浅谈氮化铝的性质、制备及应用浅谈氮化铝的性质、制备及应用1氮化铝的性质氮化铝（AlN）是一种综合性能优异的先进陶瓷材料，是一种被国内外专家一致看好的新型封装材料，也是目前公认的最有发展前途的高热导陶瓷材料。
对其的研究开始于一个多世纪以前，但当时仅将其用作固氮剂化肥使用。
作为共价化合物的氮化铝，由于其具有较高的熔点和较低的自扩散系数，导致其难以烧结。
直到上世纪50年代，氮化铝陶瓷才被人们首次制得，并作为一种耐火材料使用，而后广泛应用于纯铁、铝以及铝合金的熔炼。
从上世纪70年代以来，随着研究的进一步深入，氮化铝的制备工艺逐渐走向成熟，其应用的领域和规模也不断扩大。
氮化铝是一种共价键化合物，具有六方纤锌矿型结构形态，晶格常数为a=3.11、c=4.98，如图1-1所示。
其理论密度为3.26g/cm3，莫氏硬度为7~8，分解温度为2200~2250℃。
[1]图1-1氮化铝的晶体结构氮化铝陶瓷具有较高的热导率，适应于高功率、高引线和大尺寸芯片；它的热膨胀系数与硅匹配，介电常数较低；其材质机械强度高，在严酷的条件下仍能照常工作。
因此，氮化铝可以制成很薄的衬底，以满足不同封装基片的应用要求。
氮化铝陶瓷作为高热导、高密封材料有很大的发展潜力，是陶瓷封装材料研究的重要发展领域。
人们预计，在基片和封装两大领域，氮化铝陶瓷最终将取代目前的氧化铝陶瓷和氧化铍陶瓷。
[2]氮化铝陶瓷的主要特点如下：1）热导率高，是氧化铝陶瓷的5~10倍，与剧毒氧化铍相当；2）热膨胀系数（4.3×10-6/℃）与半导体硅材料（3.5-4.0×10-6/℃）匹配；3）机械性能好，高于氧化铍陶瓷，接近氧化铝；4）电性能优良，具有极高的绝缘电阻和低的介质损耗；5）可以进行多层布线，实现封装的高密度和小型化；6）无毒，有利于环保。
[3]2氮化铝粉体的制备2.1直接氮化法氮化铝在自然界中不存在，现在是由金属铝粉末直接氮化合成或由Al2O3碳热还原后再直接氮化法制备，其化学反应式为：2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)直接氮化法具有若干优点：1）成本低廉；2）原料丰富；3）反应体系简单，没有副反应；4）反应温度低于碳热还原；5）适合大规模生产。
氮化铝陶瓷 绝对温度
氮化铝陶瓷绝对温度全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：氮化铝陶瓷是一种具有极高热稳定性和化学稳定性的陶瓷材料，特别适用于高温环境下的应用。
其优异的高温性能主要得益于其高硬度、高导热性、高热震击性等特点，使其成为许多工业领域中不可或缺的材料之一。
在氮化铝陶瓷中，绝对温度是一个重要的参数，它反映了材料在高温条件下的稳定性和性能表现。
绝对温度是指在绝对零度（-273.15摄氏度）以上的温度值，主要用于描述材料在高温环境中的行为。
在氮化铝陶瓷中，绝对温度可以影响其导热性能、热膨胀系数、机械性能等多个方面的表现。
氮化铝陶瓷的绝对温度对其导热性能有着重要影响。
在高温条件下，氮化铝陶瓷的导热性能会逐渐降低，导致热传导效率下降，这可能会导致材料在高温环境下的过热和热失控现象。
在实际应用中，需要根据氮化铝陶瓷的绝对温度特性进行合理设计和选择，以确保其在高温环境下的导热性能满足要求。
氮化铝陶瓷的绝对温度还会影响其热膨胀系数。
热膨胀系数是材料在温度变化时长度或体积的增加率，对于高温环境中的氮化铝陶瓷来说，热膨胀系数的大小和变化趋势会直接影响其在高温条件下的稳定性和可靠性。
在设计和制造高温氮化铝陶瓷器件时，需要充分考虑其绝对温度对热膨胀系数的影响，以确保其在高温环境下的性能表现符合要求。
第二篇示例：氮化铝陶瓷是一种由氮化铝（AlN）组成的陶瓷材料，具有优异的高温性能和耐磨性。
在高温环境下，氮化铝陶瓷表现出较高的抗热震性和化学稳定性，能够在极端的温度条件下保持稳定的性能。
这使得氮化铝陶瓷成为许多高温领域的首选材料，如航空航天、化工、电子等领域。
在评估氮化铝陶瓷的绝对温度性能时，主要考察其在高温状态下的稳定性和耐热性能。
首先是稳定性，氮化铝陶瓷在高温环境下不会发生明显的结构变化或性能损失，保持材料的原有特性。
其次是耐热性，即材料能够承受的最高温度，而不发生破坏或性能下降。
氮化铝陶瓷的绝对温度主要受材料成分、制备工艺和使用环境等因素影响。
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(4) 烧结工艺 烧结工艺对AlN 陶瓷烧结体热导率的影响很大。 常压烧结和热压烧结是现阶段主要采用的2 种 烧结工艺,常压烧结是AlN 陶瓷烧结中最常用 的方法。一般来讲,常压烧结的烧结温度较高, 除氧能力较差且不易致密化。与常压烧结相比, 热压烧结的烧结温度要低得多(低200～300 ℃) ,除氧能力强,且烧结体致密度高,但热压烧 结只能制备形状不太复杂的样品,且设备昂贵。 在AlN 陶瓷烧结过程中,为了降低AlN 晶格中的 氧含量,无论采用何种烧结工艺,均需在一定的 保护气氛下进行。一般认为,采用流动N2 保护 下的还原气氛能够在烧结后期通过碳热氮化还 原反应减少AlN 中的杂质氧含量,从而有利于 提高AlN 陶瓷烧结体的热导率。另 外,Yoshioka T 等采用在N2 中加入3 %H2 (体 积分数) 作为保护气氛,结果显示比单独N2 气 氛下获得的AlN 陶瓷热导率高。
式中：λ为陶瓷的热导率,c为陶瓷的体 积热容,v为声子的平均速度, l为声子的 平均自由程。
由此可知,热导率与声子的平均自由程成正 比。理想的AIN陶瓷烧结体热导率主要由声 子的平均自由程决定。声子的平均自由程l 主要受到2个因素的影响： (1) 声子-声子的 碰撞使声子的平均自由程减小。晶格振动 的格波相互作用越强，声子间的碰撞概率 越大，相应的平均自由程越小；(2) 晶体中 的各种缺陷、杂质以及晶界都会引起格波 的散射，从而使得声子平均自由程减小。 Watari等的研究表明热导率在散射决定，且随着温度的升高，声子-声子 散射加剧,平均自由程减小,热导率降低；低 温时,热传导主要由声子-缺陷散射和/或声 子-晶界散射决定，且随着温度的降低,平均 自由程亦减小,热导率降低。
图1 为AIN 烧结体中氧含量(质量分数) 与热导率的关系图。从图1 中可以看 出随着氧含量的增加,热导率明显降低。 因此,为了得到高导热性能的AIN 陶瓷, 必须尽可能降低AIN 烧结体中的氧含 量。为此,一方面可以选择优质的AIN 粉体进行烧结;另一方面,可以通过改善 烧结工艺达到降低烧结体中氧杂质的 目的。
(3) 显微结构 一般而言,AIN 陶瓷烧结体主要由AIN 晶相、铝酸盐 第二相(晶界相) 以及气孔等组成,而AlN 陶瓷热导率 与各相显微结构密切相关。除因氧等杂质的引入而 造成的AlN 晶格缺陷和气孔等对热导率损害较大外, 第二相的存在也有重要影响,其中第二相的分布状态 对热导率的影响尤为重要。第二相在AlN 陶瓷中主 要以2 种形式分布,即孤岛状分布和连续分布。第二 相孤岛状分布于三叉晶界处比连续分布于AlN 晶界 更有利于提高热导率。因此,烧结AlN 陶瓷过程中,应 尽可能使第二相位于三叉晶界处,为此,可以通过改善 烧结工艺来实现,如提高烧结温度、延长保温时间、 热处理等。 另外, 烧结过程中引入的烧结助剂与AlN 粉体中的 Al2O3 发生反应,形成低热导率的晶界第二相(如 Y3Al5O12的热导率仅为11W/ (m ·K) ) 。大量第二相 的存在必然会降低AlN 陶瓷的热导率。 计。
值得一提的是,测量AlN 晶格中的氧含量, 除了采用直接测量的方法外,还可以通 过测量AlN 晶格常数的大小间接获得。 由于氧杂质的增多而产生的铝空位使 AlN 晶格的c轴值降低,所以较低的c 轴 常数与较高的氧含量、较低的热导率相 一致。因此可以通过测量AlN 晶格常数 值来表征AlN 晶格中氧含量的多少和热 导率的高低。 除O 外,其它杂质如Fe 、Si 、Mg 及 SiO2 等的存在也会降低AlN 的热导率。
氮化铝陶瓷的热导率
AIN 陶瓷因具有高的热导率( 室 温下理论热导率为319W/(m·K))、 低的介电常数(25℃为8.8MHz)、 与Si相匹配的热膨胀系数(20～ 400℃时为4.3×10-6 / ℃)、良好 的绝缘性(25℃时电阻率大于 1014Ω·cm) 然而, AIN陶瓷属于共价化合物, 自扩散系数很小(小于1013cm2/s) ,难于烧结致密,且杂质 等各种缺陷的存在对其热导率亦 有很大的损害。
导热机理 在AIN 陶瓷材料中,热量是由晶格振动的格 波来传递的。根据量子理论,晶格振动的能 量是量子化的,这种量子化的能量被称为声 子。格波在晶体中传播时遇到的散射可被看 作是声子与质点的碰撞,而理想晶体中的热 阻可归结为声子与声子之间的碰撞,由此 Debye 首先引入声子的概念来解释陶瓷的热 传导现象,并得出类似气体热传导的公式:
(2) 致密度 高致密度是AIN陶瓷烧结体获得高热导率的前 提。如果烧结体不致密,存在的大量气孔会散 射声子,进而降低热导率。一般认为, AIN陶瓷 的热导率随着其致密度的提高而提高。当然 这种关系也不是线性的,因为AIN 陶瓷晶格中 的氧含量对其热导率有着决定性的影响。另 一方面,随着致密度的提高,机械性能也会得到 改善。因此,为了得到高性能的AIN 陶瓷,首先 要提高其致密度。为了得到致密的AIN陶瓷, 一般采用提高烧结温度、加入烧结助剂、热 压烧结等方法。Qiu J Y等通过在一般AIN 粉 末中添加纳米级颗粒的AIN 颗粒进行烧结,结 果显示加入一定量纳米级AIN 颗粒也可以促 进AIN陶瓷的致密化。
综上所述,高热导率的AlN 陶瓷的显微结 构应为:烧结体致密度高、晶粒间面2面 接触、含少量晶界相且分布于三叉晶界 处、晶型完整。
热导率的影响因素 影响AIN陶瓷热导率的因素主要有：晶格中杂质元素 的含量，特别是氧元素的含量；烧结体的致密度；显 微结构及烧结工艺等。 (1) 杂质 氧杂质是影响AIN陶瓷热导率的主要因素。AIN 与氧 有很强的亲和性,在AIN 晶格内容易形成空位、八面体、 多型体和堆垛层错等与氧有关的缺陷,这些缺陷对声子 的散射大大降低了AIN 陶瓷的热导率。AIN晶格中的 本征缺陷主要由固溶于AIN 中的Al2O3造成。缺陷种 类与氧即Al2O3 的含量有关。根据AIN晶格中氧含量 的不同, Harris 等提出了3 种缺陷形式：① 当[O] < 0. 75 %(原子分数)时,O 原子均匀分布于AIN晶格中,取代 N 位,形成Al 空位,如式所示。 Al2O3 -------2AlAl + 3ON +VAI 式中:ON 为O 占据AIN 中N 点阵的替位缺陷，VAI为Al 的空位; ②当[O] ≥0. 75 %时,孤立的缺陷会产生团聚, 铝原子与氧原子形成八面体缺陷,每形成1 个八面体缺 陷,就会消 失2 个VAI ; ③当[O] m 0. 75 %时,将形成含O 的堆垛 层错、反演畴界和多型体等缺陷。