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Céramique de nitrure d'aluminium
Le nitrure d'aluminium est hexagonal et l'AlN pur est généralement gris ou blanc cassé. En tant que nouveau matériau céramique offrant d'excellentes performances globales, les céramiques de nitrure d'aluminium présentent une série d'excellentes caractéristiques telles qu'une excellente conductivité thermique, une isolation électrique fiable, une faible constante diélectrique et une faible perte diélectrique, un coefficient de dilatation thermique non toxique correspondant au silicium, et sont considérées comme être des matériaux idéaux pour une nouvelle génération de substrats semi-conducteurs et de boîtiers de dispositifs électroniques hautement intégrés. Cet article présente brièvement la préparation et l’application des matériaux AlN.
Méthode de préparation
Le processus de préparation est fondamentalement similaire à celui des autres matériaux céramiques, avec un total de trois processus de préparation : synthèse de poudre, moulage et frittage.
1. Préparation de poudre d'AlN
En tant que matière première pour la préparation des produits céramiques finaux, la poudre de nitrure d'aluminium a un impact important sur la conductivité thermique, le processus de frittage et de formage ultérieur du produit fini ultérieur, et constitue la pierre angulaire des excellentes performances du produit final. Les méthodes de synthèse de poudre de nitrure d’aluminium sont les suivantes :
(1) Méthode de nitruration directe : dans une atmosphère d'azote à haute température, la poudre d'aluminium est directement combinée avec de l'azote gazeux pour produire de la poudre de nitrure d'aluminium, et la température de réaction est généralement de 800 °C à 1 200 °C.
(2) Méthode de réduction carbothermique : la poudre mélangée de poudre d'alumine et de toner est réduite par réaction de nitruration dans un courant d'azote à haute température (1 400 °C ~ 1 800 °C) pour générer de la poudre d'AlN.
(3) Méthode de synthèse à haute température auto-propagée : cette méthode est la nitruration directe de la poudre d'aluminium, exploitant pleinement les caractéristiques de la nitruration directe de la poudre d'aluminium dans une forte réaction exothermique, puis utilisant la chaleur élevée de la réaction chimique entre l'aluminium et de l'azote pour entretenir la réaction par elle-même et synthétiser de l'AlN.
(4) Méthode de dépôt chimique en phase vapeur : le composé volatil de l'aluminium est utilisé pour réagir avec l'azote ou l'ammoniac afin de précipiter la poudre de nitrure d'aluminium de la phase gazeuse ; Selon la sélection différente de sources d’aluminium, il est divisé en méthode de dépôt chimique en phase vapeur inorganique et organique.
2. Processus de formation d'AlN.
Il existe de nombreux types de procédés de formation de poudre de nitrure d'aluminium et les procédés de moulage traditionnels tels que le moulage, le pressage à chaud, le pressage isostatique, etc. sont applicables. En raison de la forte hydrophilie de la poudre de nitrure d'aluminium, afin de réduire l'oxydation du nitrure d'aluminium, le contact avec l'eau doit être évité autant que possible pendant le processus de moulage. De plus, bien que le pressage à chaud et le pressage isostatique conviennent à la préparation de matériaux en porcelaine de nitrure d'aluminium en vrac de haute performance, leur coût élevé et leur faible efficacité de production ne peuvent pas répondre à la demande croissante de l'industrie électronique pour des substrats céramiques en nitrure d'aluminium. Afin de résoudre ce problème, ces dernières années, les gens ont utilisé la méthode de coulée pour former des substrats céramiques en nitrure d'aluminium. La méthode de coulée est également devenue le principal processus de formage de base des céramiques de nitrure d’aluminium pour l’industrie électronique.
Application
1. Substrat
La plupart des céramiques sont des matériaux avec de fortes liaisons ioniques ou covalentes, avec d'excellentes propriétés complètes, sont des matériaux de substrat couramment utilisés dans les emballages électroniques, avec des propriétés d'isolation élevées et d'excellentes caractéristiques haute fréquence, et le coefficient de dilatation linéaire est très similaire à celui des composants électroniques, et les propriétés chimiques sont très stables et la conductivité thermique est élevée. Entre 1985 et 1988, l’application du nitrure d’aluminium dans les matériaux d’encapsulation microélectronique a vu le jour. Il s'avère que les matériaux de substrat de la plupart des circuits intégrés hybrides de haute puissance utilisent depuis longtemps des céramiques d'alumine et d'oxyde de béryllium, mais la conductivité thermique de base de l'alumine est faible et le coefficient de dilatation thermique et le silicium ne correspondent pas très bien ; Bien que l'oxyde de béryllium possède d'excellentes propriétés globales, son coût de production élevé et ses défauts hautement toxiques limitent son application et sa promotion. Par conséquent, du point de vue des performances, des coûts et de la protection de l’environnement, les deux ne peuvent plus répondre pleinement aux besoins du développement de dispositifs électroniques de puissance modernes.
2. Matériel de film électronique
Les matériaux électroniques à couches minces sont à la base de la technologie microélectronique et de la technologie optoélectronique, de sorte que la recherche sur divers nouveaux matériaux électroniques à couches minces est devenue un point chaud pour de nombreux chercheurs. Le nitrure d'aluminium a été découvert comme matériau de film électronique dans les années 60 du 19e siècle et a un large éventail d'applications. Ces dernières années, les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite et les dispositifs électroniques sont représentés par le groupe III. Les nitrures se sont développés rapidement et sont connus comme la troisième génération de semi-conducteurs après la première génération de semi-conducteurs représentée par Si et la deuxième génération de semi-conducteurs représentée par GaAs. AlN, comme groupe typique III. Un nitrure a reçu de plus en plus d'attention de la part des chercheurs nationaux et étrangers.
3. Revêtement des creusets
La résistance à la corrosion du nitrure d'aluminium peut être infiltrée par l'aluminium fondu mais ne peut pas réagir avec lui, y compris le cuivre, le lithium, l'uranium, le fer et d'autres alliages composés et certains alliages super résistants à la chaleur ; Et le nitrure d'aluminium est stable à de nombreux sels fondus tels que le carbonate, le mélange à faible teneur en eutectique, le chlorure, la cryolite, etc. Il peut donc être transformé en revêtement de creusets ou de réfractaires.
Le nitrure d'aluminium peut être utilisé comme récipient pour l'évaporation sous vide et la fusion des métaux, particulièrement adapté à l'évaporation sous vide du creuset d'Al, AlN chauffé sous vide, bien que la pression de vapeur soit faible, mais même s'il se décompose, il ne contaminera pas l'aluminium. L'AlN peut également être utilisé comme manchon de protection pour thermocouple, et il n'y a aucun dommage par érosion lorsqu'il est continuellement trempé dans une piscine en aluminium à 800 ~ 1 000 °C dans l'air pendant plus de 3 000 heures. Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'utilisation d'un creuset AlN au lieu d'un creuset en quartz pour synthétiser l'arséniure de gallium peut éliminer complètement la pollution du Si en arséniure de gallium et obtenir des produits de haute pureté.
Les diverses excellentes propriétés du nitrure d’aluminium déterminent ses applications à multiples facettes et, en tant que film piézoélectrique, il a été largement utilisé ; En tant que matériau d'emballage, d'isolation diélectrique et de bobinage pour les appareils électroniques et les circuits intégrés, il présente d'importantes perspectives d'application ; En tant que matériaux luminescents à lumière bleue et ultraviolette, c'est également un point chaud de recherche ; En tant que matériau polymère, il peut être utilisé pour fixer des moules, fabriquer des adhésifs, des graisses thermiques et des tampons de dissipation thermique... Après l'expansion et le développement du marché, la gamme d'applications des matériaux céramiques en nitrure d'aluminium deviendra de plus en plus étendue.
Cet article est tiré du CERADIR
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