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5G绝缘导热氮化硼系列材料的介绍及应用

信息来源:本站 | 发布日期: 2022-05-22 15:06:43 | 浏览量:39657

摘要:

导语: 随着电子设备的性能和功能的提高,每个设备产生的热量增加,热量有效地散发、消散和冷却热量很重要。对于5G智能手机和AR/VR设备等高性能移动产品,由于采用高性能IC和追求减轻重量的高度集成设计,导致散热部件的安装空间受到限制,因此利用高导热垫片和导热凝胶等…

导语: 随着电子设备的性能和功能的提高,每个设备产生的热量增加,热量有效地散发、消散和冷却热量很重要。对于5G智能手机和AR/VR设备等高性能移动产品,由于采用高性能IC和追求减轻重量的高度集成设计,导致散热部件的安装空间受到限制,因此利用高导热垫片和导热凝胶等TIM材料来更好地散热。 

什么是氮化硼?

氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮,具有四种不同的变体:六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)。

氮化硼问世于100多年前,最早的应用是作为高温润滑剂的六方氮化硼,不仅其结构而且其性能也与石墨极为相似,且自身洁白,所以俗称:白石墨。

氮化硼(BN)陶瓷是早在1842年被人发现的化合物。国外对BN材料从第二次世界大战后进行了大量的研究工作,直到1955年解决了BN热压方法后才发展起来的。美国金刚石公司和联合碳公司首先投入了生产,1960年已生产10吨以上。

1957年R·H·Wentrof率先试制成功CBN,1969年美国通用电气公司以商品Borazon销售,1973年美国宣布制成CBN刀具。 

1975年日本从美国引进技术也制备了CBN刀具。

1979年首次成功采用脉冲等离子体技术在低温低压卜制备崩c—BN薄膜。

20世纪90年代末,人们已能够运用多种物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)的方法制备c-BN薄膜。

从中国国内看,发展突飞猛进,1963年开始BN粉末的研究,1966年研制成功,1967年投入生产并应用于我国工业和尖端技术之中。

物质特性:

CBN通常为黑色、棕色或暗红色晶体,为闪锌矿结构,具有良好的导热性。硬度仅次于金刚石,是一种超硬材料,常用作刀具材料和磨料。 

氮化硼具有抗化学侵蚀性质,不被无机酸和水侵蚀。在热浓碱中硼氮键被断开。1200℃以上开始在空气中氧化。真空时约2700℃开始分解。微溶于热酸,不溶于冷水,相对密度2.29。压缩强度为170MPa。在氧化气氛下最高使用温度为900℃,而在非活性还原气氛下可达2800℃,但在常温下润滑性能较差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更优。对于六方氮化硼:摩擦系数很低、高温稳定性很好、耐热震性很好、强度很高、导热系数很高、膨胀系数较低、电阻率很大、耐腐蚀、可透微波或透红外线。

 

物质结构:

氮化硼六方晶系结晶,最常见为石墨晶格,也有无定形变体,除了六方晶型以外,氮化硼还有其他晶型,包括:菱方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN)、纤锌矿型氮化硼(w-BN)。人们甚至还发现像石墨稀一样的二维氮化硼晶体。

通常制得的氮化硼是石墨型结构,俗称为白色石墨。另一种是金刚石型,和石墨转变为金刚石的原理类似,石墨型氮化硼在高温(1800℃)、高压(8000Mpa)[5~18GPa]下可转变为金刚型氮化硼。是新型耐高温的超硬材料,用于制作钻头、磨具和切割工具。

 

应用领域:

1. 金属成型的脱模剂和金属拉丝的润滑剂。

2. 高温状态的特殊电解、电阻材料。

3. 高温固体润滑剂,挤压抗磨添加剂,生产陶瓷复合材料的添加剂,耐火材料和抗氧化添加剂,尤其抗熔融金属腐蚀的场合,热增强添加剂、耐高温的绝缘材料。

4. 晶体管的热封干燥剂和塑料树脂等聚合物的添加剂。

5. 压制成各种形状的氮化硼制品,可用做高温、高压、绝缘、散热部件。

6. 航天航空中的热屏蔽材料。

7. 在触媒参与下,经高温高压处理可转化为坚硬如金刚石的立方氮化硼。

8. 原子反应堆的结构材料。

9. 飞机、火箭发动机的喷口。

10.高压高频电及等离子弧的绝缘体。

11.防止中子辐射的包装材料。

12.由氮化硼加工制成的超硬材料,可制成高速切割工具和地质勘探、石油钻探的钻头。

13.冶金上用于连续铸钢的分离环,非晶态铁的流槽口,连续铸铝的脱模剂。

14.做各种电容器薄膜镀铝、显像管镀铝、显示器镀铝等的蒸发舟。

15.各种保鲜镀铝包装袋等。

16.各种激光防伪镀铝、商标烫金材料,各种烟标,啤酒标、包装盒,香烟包装盒镀铝等等。

17.化妆品用于口红的填料,无毒又有润滑性,又有光泽。

 

未来前景:

由于钢铁材料硬度很高,因而加工时会产生大量的热,金刚石工具在高温下易分解,且容易与过渡金属反应,而c-BN材料热稳定性好,且不易与铁族金属或合金发生反应,可广泛应用于钢铁制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有优良的耐磨性能外,耐热性能也极为优良,在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、铁合金、淬火钢等,并且能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的Si-Al合金等。实际上,由c-BN晶体(高温高压合成)的烧结体做成的刀具、磨具已应用于各种硬质合金材料的高速精密加工中。

c-BN作为一种宽禁带(带隙6.4 eV)半导体材料,具有高热导率、高电阻率、高迁移率、低介电常数、高击穿电场、能实现双型掺杂且具有良好的稳定性,它与金刚石、SiC和GaN一起被称为继Si、Ge及GaAs之后的第三代半导体材料,它们的共同特点是带隙宽,适用于制作在极端条件下使用的电子器件。与SiC和GaN相比,c-BN与金刚石有着更为优异的性质,如更宽的带隙、更高的迁移率、更高的击穿电场、更低的介电常数和更高的热导率。显然作为极端电子学材料,c-BN与金刚石更胜一筹。然而作为半导体材料金刚石有它致命的弱点,即金刚石的n型掺杂十分困难(其n型掺杂的电阻率只能达到102 Ω·cm,远远未达到器件标准),而c-BN则可以实现双型掺杂。例如,在高温高压合成以及薄膜制备过程中,添加Be可得到P型半导体;添加S、C、Si等可得到n型半导体。因此综合看来c-BN是性能最为优异的第三代半导体材料,不仅能用于制备在高温、高频、大功率等极端条件下工作的电子器件,而且在深紫外发光和探测器方面有着广泛的应用前景。事实上,最早报道了在高温高压条件下制成的c-BN发光二极管,可在650℃的温度下工作,在正向偏压下二极管发出肉眼可见的蓝光,光谱测量表明其最短波长为215 nm(5.8 eV)。c-BN具有和GaAs、Si相近的热膨胀系数,高的热导率和低的介电常数,绝缘性能好,化学稳定性好,使它成为集成电路的热沉材料和绝缘涂覆层。此外c-BN具有负的电子亲和势,可以用于冷阴极场发射材料,在大面积平板显示领域具有广泛的应用前景。

在光学应用方面,由于c-BN薄膜硬度高,并且从紫外(约从200 nm开始)到远红外整个波段都具有高的透过率,因此适合作为一些光学元件的表面涂层,特别适合作为硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)等窗口材料的涂层。此外,它具有良好的抗热冲击性能和商硬度,有望成为大功率激光器和探测器的理想窗窗口材料

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