Обзор методов получения, модификации и применения Порошка нитрида алюминия высокой чистоты

Обзор методов получения, модификации и применения

Порошка нитрида алюминия высокой чистоты

Порошок нитрида алюминия (AlN) высокой чистоты служит незаменимым исходным материалом для высокотеплопроводных керамических подложек AlN и теплопроводящих композитных наполнителей. Он сочетает в себе множество превосходных свойств: высокую собственную теплопроводность, отличную электрическую изоляцию, низкую диэлектрическую постоянную и диэлектрические потери, коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту кремния, хорошую термостойкость и надежную химическую стабильность. Эти преимущества позволяют широко применять AlN в полупроводниковой упаковке, новых энергетических устройствах, мощной оптоэлектронике, системах терморегулирования электроники и прецизионных керамических компонентах. Однако порошок AlN подвержен гидролизу при воздействии влажного воздуха с образованием гидроксида алюминия и аммиака, что ухудшает текучесть порошка, увеличивает содержание кислородных примесей и снижает теплопроводность конечной спеченной керамики. Кроме того, плохая дисперсия и слабая межфазная совместимость с полимерными матрицами ограничивают его дальнейшее использование в композитных теплопроводящих материалах. В данной статье систематически обобщены основные методы синтеза высокочистого порошка AlN, проанализированы преимущества и существующие недостатки каждого метода получения, представлены стратегии модификации поверхности для предотвращения гидролиза и улучшения дисперсии, а также рассмотрены последние достижения в исследованиях высокочистого порошка AlN в керамических подложках, теплопроводящих полимерных композитах и ​​других перспективных областях. Наконец, обозначены текущие технические узкие места и прогнозируются будущие направления развития, с целью предоставления рекомендаций для крупномасштабного, недорогого и высококачественного промышленного получения и широкого применения высокочистого порошка AlN.
Ключевые слова: высокочистый порошок нитрида алюминия; получение порошка; модификация поверхности; устойчивость к гидролизу; теплопроводность; теплоотвод
1. Введение
С быстрым развитием мощных полупроводников, литий-ионных систем хранения энергии и высокоплотной электронной интеграции накопление тепла стало критическим фактором, ограничивающим стабильность и срок службы устройств. Традиционные керамические подложки из оксида алюминия не могут удовлетворить растущий спрос на высокое теплоотведение. Керамика на основе нитрида алюминия (AlN) привлекла широкое внимание благодаря своей сверхвысокой теоретической теплопроводности и соответствующему коэффициенту теплового расширения с кремниевыми чипами. Качество порошка AlN напрямую определяет поведение при спекании, уровень кислородных примесей, микроструктуру и конечные тепловые характеристики керамики AlN. Высокочистый порошок AlN с низким содержанием кислорода, узким распределением частиц по размерам, хорошей сферичностью и отличной текучестью крайне желателен для промышленного производства.
Тем не менее, гидрофильные поверхности AlN легко реагируют с водяным паром. Гидролиз приводит к образованию дефектов и повышению уровня кислородных примесей, резко снижая теплопроводность. При использовании в качестве наполнителя в полимерах чистый порошок AlN склонен к агломерации и образует плохие границы раздела с смолой, что приводит к образованию пустот и ограниченному повышению теплопроводности. Поэтому соответствующая модификация поверхности необходима для улучшения устойчивости к гидролизу и межфазной совместимости. В данном обзоре рассматриваются технологии получения, методы модификации и типичные области применения высокочистого порошка AlN, а также обсуждаются проблемы и тенденции развития.

2. Технологии получения высокочистого порошка AlN
2.1 Прямое азотирование алюминиевого порошка
Алюминиевый порошок реагирует с азотом или аммиаком при высокой температуре с образованием AlN. Этот процесс отличается простым оборудованием и низкой стоимостью сырья, но реакция является сильно экзотермической и трудно контролируемой. Локальный перегрев вызывает спекание частиц и образование крупных агломератов. Полученный порошок обычно содержит остаточный металлический алюминий и большое количество кислородсодержащих примесей. Требуются дополнительные этапы измельчения и очистки, что легко приводит к загрязнению. Этот метод подходит для получения AlN низкой и средней чистоты, а не сверхчистого мелкодисперсного порошка.

2.2 Метод карботермического восстановления-азотирования
Порошок оксида алюминия, смешанный с углеродным порошком, восстанавливается и азотируется в потоке азота при повышенных температурах. Это наиболее отработанный промышленный способ массового производства высокочистого порошка AlN. Путем контроля чистоты сырья, доли углерода, температуры реакции и времени выдержки можно получить порошок AlN с низким содержанием кислорода. Основными недостатками являются высокая температура спекания, длительный цикл реакции и остаточный свободный углерод, если процесс декарбонизации не завершен. Для достижения высокой чистоты и однородного размера частиц необходим строгий контроль атмосферы и температуры.

2.3 Парофазный синтез
Парофазный синтез включает химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и плазменный синтез. Газообразные прекурсоры алюминия реагируют с азотсодержащим газом при высокой температуре или в плазменной среде. Полученный порошок обладает высокой чистотой и мелкодисперсными частицами.