中國粉體網(wǎng)訊  “欲上九天攬明月，巡天遙看一星河”，伴隨著我國航空航天事業(yè)的跨越式發(fā)展，航空航天器用超大規(guī)模集成電路及電子器件正朝向微型化、集成化、高頻化、高可靠性的方向發(fā)展，器件的發(fā)熱量顯著增加，散熱問題逐漸凸顯。

一、氮化鋁陶瓷是理想散熱材料

散熱材料是影響器件傳熱性能和可靠性的關(guān)鍵。因此，高導(dǎo)熱材料成為集成微型化電子系統(tǒng)的突破口。其中，電子陶瓷材料成為解決散熱問題的重要材料。在幾種常用的電子陶瓷材料中，氧化鋁陶瓷導(dǎo)熱率為20W/mK，導(dǎo)熱性能相對較差，主要應(yīng)用于中、低功率的電子器件。高純度的氧化鈹陶瓷在室溫下具有優(yōu)異的導(dǎo)熱率，但具有劇毒，且制備成本較高。同樣，碳化硅也因輕微毒性以及較高的制備成本，應(yīng)用場景受限。氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)、低膨脹、低介電損耗、高電阻、優(yōu)異的耐熱震性以及良好的力學(xué)性能，成為新一代具有廣闊發(fā)展前景的散熱材料。

表1 常用電子陶瓷的特性

二、氮化鋁的研究歷史

氮化鋁是一種以共價鍵相連的人工合成二元材料，在自然界中并不存在。氮化鋁是六方晶系，以鋁原子為中心原子與相鄰的四個氮原子形成的[AlN4]四面體作為基本結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)類似于金剛石。氮化鋁粉體1862年被首次發(fā)現(xiàn)，于1877年被首次合成出來。由于氮化鋁是共價化合物，自擴散系數(shù)小，熔點高，難以燒結(jié)，直到20世紀(jì)50年代，氮化鋁陶瓷才首次被研制成功，但存在致密度較低，力學(xué)性能不佳等問題，主要作為耐火材料應(yīng)用于純鐵、鋁以及合金的熔煉。21世紀(jì)以來，隨著研究的深入以及對新型多功能電子陶瓷材料的需求迫切，氮化鋁陶瓷的制備技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用范圍也不斷擴大。

圖1 氮化鋁陶瓷微觀形貌（圖源：粉末冶金技術(shù)）

三、氮化鋁的導(dǎo)熱機理

高熱導(dǎo)率是氮化鋁的顯著特征。由于氮化鋁是一種共價化合物，其分子內(nèi)部不存在可以自由移動的電子，因此其導(dǎo)熱機理為晶格振動，即借助晶格波或熱波進行熱的傳遞，這種方式被稱為“聲子傳熱”。

根據(jù)量子力學(xué)原理，晶格波可以作為一種粒子——聲子的運動來處理。把晶格內(nèi)部的原子看成小球，這些小球之間彼此由共價鍵連接起來，從而每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播。這種晶格振動產(chǎn)生的能量量子，即“聲子”，聲子相互作用使振動傳遞，晶體內(nèi)部溫度高的部分能量大，溫度低的部分能量小，能量通過聲子之間互相作用，從高能量向低能量發(fā)生傳遞，能量的遷移帶動了熱量的傳導(dǎo)。

四、氮化鋁陶瓷在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

由于氮化鋁陶瓷具有優(yōu)異的高導(dǎo)熱性而被廣泛應(yīng)用于航天電子的各個領(lǐng)域。如覆銅基板材料、電子封裝材料、超高溫器件封裝材料、高功率器件平臺材料、高頻器件材料、傳感器薄膜材料、涂層及功能增強材料等。

1.覆銅基板材料

在航天器的設(shè)計中，電源控制器主要是以表面貼裝方式進行組裝，常用的基板材料為FR-4環(huán)氧玻纖布。然而，F(xiàn)R-4環(huán)氧玻纖布的線膨脹系數(shù)較高，與器件的熱膨脹系數(shù)差別較大，焊接后易造成開裂。而氮化鋁具有良好的熱學(xué)和電學(xué)性能，逐步成為該類基板設(shè)計的首選材料。先進封裝工藝往往以高性能的氮化鋁陶瓷板作為導(dǎo)熱基板，在氮化鋁上面直接鍵合銅。氮化鋁覆銅板具有氮化鋁的導(dǎo)熱性能和機械強度，同時兼具銅的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，形成了“銅–氮化鋁–銅”的夾層散熱路徑，在航空領(lǐng)域應(yīng)用潛力很大。

圖2 氮化鋁覆銅板（圖源：金瑞欣）

2.電子封裝材料

電子元器件正朝著高頻微型、高功率、高可靠的方向發(fā)展，熱流密度越來越大，因此，封裝體要求具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。高導(dǎo)熱的氮化鋁本身就是理想的封裝體材料，也可將其作為金屬或者聚合物的增強體制作復(fù)合封裝材料。一方面，氮化鋁納米顆粒用作結(jié)構(gòu)材料的彌散增強相，能夠有效改善基體材料的熱學(xué)性能和機械性能；另一方面，氮化鋁的惰性使得金屬基的氮化鋁材料復(fù)合反應(yīng)時間延長，從而可以有效調(diào)控界面。此外，氮化鋁填料還可以通過調(diào)控聚合物的導(dǎo)熱率和剛度來降低聚合物的熱膨脹系數(shù)。

圖3 硅膠片及氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)（圖源：硅酸鹽學(xué)報）

3.超高溫封裝材料

傳統(tǒng)封裝技術(shù)大多適用于硅基微電子器件。然而，一旦面臨150℃以上的高溫環(huán)境，傳統(tǒng)的封裝材料就會失去可靠性。塑料在500℃時會熔化、降解和燃燒；合金焊料在500℃時會迅速氧化或熔化；此外，熱膨脹系數(shù)差別較大的材料在結(jié)合時會產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。而氮化鋁的熔點高達(dá)2500℃，具有良好的耐高溫特性，熱膨脹系數(shù)相對較低，與硅和碳化硅的熱膨脹系數(shù)相接近，熱配性較好，能夠提供更好的熱可靠性。因此，氮化鋁陶瓷封裝成為超高溫(500℃以上)微電子器件的理想選擇，能有效地滿足航空航天發(fā)動機控制器和超高溫星表環(huán)境的探測器的應(yīng)用需求。

圖4 基于氮化鋁陶瓷封裝的超高溫微電子元器件（圖源：硅酸鹽學(xué)報）

4.高功率器件平臺材料

航天器太陽電池翼在工作時會將幾十千瓦的電功率傳輸至艙體內(nèi)部，功率傳輸?shù)慕^緣材料需具備電絕緣性能、高熱導(dǎo)性能以及優(yōu)異的機械性能。氮化鋁具有大于1×1013Ω·cm的電阻率以及190W/(m·K)以上的熱導(dǎo)率；同時，彎曲強度高達(dá)400MPa，模量達(dá)到320GPa，硬度達(dá)到15GPa以上，契合了太陽翼電源系統(tǒng)對高導(dǎo)熱、電絕緣和機械承載的功能結(jié)構(gòu)一體化的材料的需求。

在無線收發(fā)系統(tǒng)中，收發(fā)組件的固態(tài)放大電路使用的是輸出功率更高的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件，發(fā)熱密度也隨之上升，因而需要選用高導(dǎo)熱材料將內(nèi)部逐漸累積的熱量傳導(dǎo)至散熱器，避免組件內(nèi)部溫度過高，進而惡化遷移率，限制晶體管的最大輸出功率。在高導(dǎo)熱寬禁帶的氮化物半導(dǎo)體材料中，氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為320W/(m·K)，高于單晶氮化鎵的230W/(m·K)，更具有傳熱優(yōu)勢。

5.高頻器件材料

高純氧化鋁陶瓷和氧化鈹陶瓷是微波管的傳統(tǒng)材料，氮化鋁憑借其高熱導(dǎo)、無毒無害成為其有利替代材料，用于微波管的集電極、夾極和能量傳輸窗口的制作。微波窗口的主要功能是傳輸高頻能量，其介電損耗必須盡可能小，氮化鋁的介電損耗低至1×10–4（1MHz下），當(dāng)熱量過高時，氮化鋁窗口會將器件內(nèi)部振蕩的電磁能量輸出到波導(dǎo)系統(tǒng)，以保證器件的安全性。此外，氮化鋁作為器件的結(jié)構(gòu)層具有耐高溫、高電阻率、高擊穿電壓強度和低介電損耗的優(yōu)勢，并且可以得到高品質(zhì)因數(shù)、高頻機電耦合系數(shù)，因此，氮化鋁在諧振器中具有廣闊應(yīng)用前景，航天器件中如星載加速度計、陀螺儀、振蕩器、濾波器均可以選擇氮化鋁諧振器。

圖6 蘭姆波諧振器（圖源：上�？萍即髮W(xué)）

6.薄膜材料

氮化鋁薄膜材料是一種性能良好的壓電材料，具有良好的C軸取向性，具有良好的熱穩(wěn)定性和壓電性，能在高溫惡劣環(huán)境下工作，已在航空用傳感器、諧振器、微機電系統(tǒng)中均有應(yīng)用。基于氮化鋁薄膜的高溫壓力傳感器可以應(yīng)用于航天器的飛行控制中；氮化鋁基MEMS諧振器具有體積小、高質(zhì)量因數(shù)和高頻率的特點，且與集成電路技術(shù)兼容，能夠?qū)⒍囝l率器件集成在一個芯片上，被成功地用于航天導(dǎo)航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

參考來源：

[1]何端鵬，高熱導(dǎo)電絕緣氮化鋁陶瓷在宇航器件中的應(yīng)用

[2]宋志健，氮化鋁陶瓷的制備及研究進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）

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