Каковы методы получения порошка нитрида алюминия?

---

Нитрид алюминия (AlN), как новый тип керамического материала с превосходными характеристиками, широко используется в таких областях, как электроника, энергетика, аэрокосмическая промышленность и т. д., благодаря своей высокой теплопроводности, хорошей электрической изоляции, низкому коэффициенту теплового расширения, совместимому с кремнием, и превосходным механическим свойствам. И все эти превосходные характеристики берут свое начало в их источнике — высококачественном нитридном алюминиевом порошке.

Основные методы получения порошка нитрида алюминия
Существуют различные методы получения порошка нитрида алюминия, в основном включая прямое нитрирование, термическое восстановление углеродом, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и химическое осаждение из паровой фазы. Порошки, полученные различными методами, имеют свои преимущества и недостатки с точки зрения чистоты, размера частиц, морфологии и стоимости.

1. Метод прямого азотирования
   Принцип: Алюминиевый порошок высокой чистоты непосредственно реагирует с азотом или аммиаком при высоких температурах (800~1500 °C) с образованием нитрида алюминия.
   Уравнение реакции: 2Al+N ₂ → 2AlN
   Преимущества: простота процесса, доступность сырья, относительно низкая стоимость, пригодность для промышленного крупномасштабного производства.
   Недостатки: Реакция является сильной экзотермической реакцией, которую трудно контролировать и которая может легко привести к плавлению и агломерации алюминиевого порошка, что приводит к широкому распределению частиц по размеру и сильной агломерации продукта. Требуется длительное дробление и измельчение, что может привести к попаданию примесей.
2. Метод термического восстановления углерода
   Принцип: Используя оксид алюминия (Al ₂ O3) и углеродный порошок (C) в качестве сырья, нитрид алюминия получают путем восстановления оксида алюминия углеродом и одновременного азотирования в атмосфере азота при высокой температуре (1400-1800 °C).
   Уравнение реакции: Al ₂ O ∝+3C+N ₂ → 2AlN+3CO
   Преимущества: позволяет получать сферические или квазисферические порошки с высокой чистотой, однородным размером частиц и хорошей активностью спекания. В настоящее время это основной метод получения высокоэффективного порошка нитрида алюминия как в стране, так и за рубежом.
   Недостатки: высокая температура реакции, высокое энергопотребление, строгие требования к контролю процесса и удаление остаточного углерода являются основными проблемами.
3. Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (SHS)
   Принцип: Используя огромное количество тепла, выделяющегося в результате реакции между алюминиевым порошком и азотом, реакция самоподдерживается в виде волны горения, мгновенно синтезируя нитрид алюминия.
   Преимущества: чрезвычайно низкое энергопотребление, высокая скорость реакции и высокая эффективность производства.
   Недостатки: процесс реакции интенсивный, продукт имеет много пор и низкую чистоту, а для получения мелкого порошка требуется дополнительная обработка, что затрудняет контроль стабильности партии.
4. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и другие передовые методы
   Принцип: При использовании газообразных прекурсоров, содержащих алюминий и азот (таких как AlCl3 и NH3), в условиях высоких температур происходят газофазные химические реакции, в результате которых на поверхности или в пространстве подложки происходит конденсация ультратонкого и высокочистого порошка нитрида алюминия.
   Преимущества: Порошок обладает чрезвычайно высокой чистотой, мелким размером частиц и узким распределением, а также контролируемой морфологией.
   Недостатки: дорогое оборудование, сложная технология, низкая производительность, высокая стоимость, в основном используется в лабораторных исследованиях или в областях с особыми требованиями к порошкам.

Почему высококачественный порошок нитрида алюминия имеет решающее значение: применение, преимущества и решения
Независимо от используемого метода, конечной целью является получение “качественных” порошков, которые могут удовлетворить потребности последующих применений.
Основные области применения:
Электронная упаковка и материалы для терморегулирования: Это крупнейший рынок применения нитрида алюминия. Используется для производства керамических подложек с высокой теплопроводностью, изоляционных листов, радиаторов и т. д., широко применяется в мощных светодиодах, IGBT-модулях, 5G RF-устройствах, лазерах и т. д., отвечает за быстрое рассеивание тепла, выделяемого чипами, для обеспечения стабильной работы оборудования.
Структурные керамические компоненты: используя их высокую твердость, коррозионную стойкость и термостойкость для изготовления тиглей, износостойких деталей и т. д.
Этап армирования композитным материалом: добавляется в качестве армирующего слоя к металлической, полимерной или керамической матрице для улучшения теплопроводности и механических свойств матричного материала.
Преимущества продукта и решаемые проблемы:
Высокая теплопроводность (решение проблемы теплоотвода): Теоретическое значение теплопроводности керамики из нитрида алюминия достигает 320 Вт/(м · К), что в 8-10 раз превышает теплопроводность оксида алюминия. Это позволяет эффективно решать “проблему теплового управления”, возникающую в связи с развитием современных электронных устройств в направлении миниатюризации и повышения мощности.
Надежная электрическая изоляция (обеспечение безопасности цепи): Эффективное рассеивание тепла и поддержание хорошей электрической изоляции обеспечивают безопасность и стабильность работы схемы.
Соответствие коэффициента теплового расширения (снижение теплового напряжения): Его коэффициент теплового расширения (4,5 × 10 ⁻⁶/° C) очень близок к коэффициенту теплового расширения кремния (3,5 × 10 ⁻⁶/° C), что позволяет значительно снизить тепловую нагрузку между чипом и подложкой и повысить надежность корпуса.

Реальный случай с клиентом (анонимный)
Предыстория дела: Известный производитель силовых полупроводников не мог дальнейшего повышения удельной мощности IGBT-модулей для электромобилей следующего поколения из-за ограниченной теплоотдачи традиционных оксидных подложек.
Возникшая проблема: были протестированы несколько порошков алюминия с нитридом азота, и либо теплопроводность не соответствовала стандарту после спекания, либо во время литья появлялись трещины из-за плохой консистенции порошка, что приводило к низкому выходу.
Наше решение: мы рекомендуем использовать высокочистый порошок нитрида алюминия с узким распределением частиц и размером частиц D50 1,0 мкм, а также предоставляем соответствующие рекомендации по использованию вспомогательных веществ для спекания.
Достигнутый эффект: после использования нашего порошка заказчик успешно подготовил керамические подложки с теплопроводностью, превышающей 180 Вт/(м · К). Плотность мощности модулей IGBT увеличилась более чем на 30%, а выход продукции остался стабильным на уровне более 95%, что значительно способствовало запуску их новых продуктов.

От прямого азотирования до точного термического восстановления углерода, процесс получения порошка нитрида алюминия постоянно развивается в направлении высокой чистоты, мелкого зерна и низкой стоимости. Выбор поставщика порошка с передовыми технологиями и стабильным качеством является ключом к преодолению узких мест в характеристиках продукции и победе в рыночной конкуренции.

Керамика Brudeze поставляет и продает широкий ассортимент высококачественного кварцевого стекла, включая глиноземистую керамику, циркониевую керамику, керамику из нитрида кремния, керамику из нитрида алюминия, керамику из карбида кремния, керамику из карбида бора, биокерамику, обрабатываемую керамику и т.д. Мы можем удовлетворить требования заказчика к различным керамическим изделиям.