Aluminiumnitrid (AlN) har extremt hög teoretisk värmeledningsförmåga (~320 W/(m·K)), utmärkt elektrisk isolering, låg dielektrisk förlust och en värmeutvidgningskoefficient som matchar halvledarmaterial. Oavsett om det är ett idealiskt material för hög-chipförpackningssubstrat, ett kärnfunktionellt fyllmedel i termiskt ledande fetter och geler, eller precisionskeramiska komponenter som arbetar i tuffa miljöer, fortsätter AlN att tänja på prestandagränserna. AlN-pulver är dock mycket känsligt för hydrolys och producerar syre-innehållande föroreningar (t.ex. -AlOOH, Al(OH)3, -Al2O3), vilket avsevärt minskar pulvrets renhet och försämrar den termiska konduktiviteten hos slutprodukterna. Mer kritiskt är att hydrolysprodukterna direkt hindrar utvecklingen och tillämpningen av vattenbaserade formningsprocesser för AlN-keramik (t.ex. tejpgjutning, gelgjutning). Allteftersom tillämpningsscenarierna för AlN expanderar-har särskilt det ökande behovet av kontakt med miljöer med hög luftfuktighet och vattenhaltiga system-förbättring av antihydrolysstabiliteten hos AlN-pulver blivit en central teknisk flaskhals för att säkerställa tillförlitlig realisering av dess enastående egenskaper.
Hydrolysmekanism av aluminiumnitrid
Begränsad av nuvarande produktionsprocesser och miljökänslighet är den industriella produktionen av högrent AlN-pulver fortfarande utmanande. För det första, när AlN kommer i kontakt med vatten, interagerar hydroxylgrupper (–OH) från vattenmolekyler med kväve (N) och aluminium (Al) i AlN, vilket stör kristallstrukturen och bildar amorfa mellanprodukter (AlOOH) och NH₃. Den frigjorda NH3 reagerar vidare med vatten för att bilda ammonium (NH4+) och hydroxidjoner (OH⁻), och den exoterma naturen höjer systemets temperatur och alkalinitet (pH > 9), vilket underlättar efterföljande reaktioner. Under vissa temperaturer och alkaliska förhållanden reagerar amorft AlOOH vidare med vatten för att producera Al(OH)3. I slutändan hydrolyserar AlN fullständigt till Al(OH)3 och NH3.
Det är anmärkningsvärt att denna hydrolysprocess inte är begränsad till direkt kontakt mellan AlN-pulver och flytande vatten. Exponering för luft kan också inducera hydrolys genom att adsorbera luftfuktighet. Dessutom katalyserar defekter på AlN-partikelytan eller närvaron av andra föroreningar hydrolysreaktionen signifikant. Därför krävs ytmodifiering för att minska pulverytans kemiska aktivitet mot vatten.
Anti-hydrolysmodifieringstekniker för aluminiumnitrid
För att ta itu med hydrolysfrågan av AlN finns två huvudmodifieringsstrategier: värmebehandling och ytmodifiering. Ytmodifiering är vidare uppdelad i oorganiska och organiska tillvägagångssätt.
01 Termisk behandling
Denna metod involverar högtemperaturbehandling av AlN-pulver under en specifik atmosfär, kontroll av syrehalt, temperatur och oxidationstid för att bilda en tät Al₂O₃-film på ytan som en fysisk barriär, vilket förbättrar pulvrets hydrolysbeständighet i viss utsträckning. Även om denna metod är enkel och billig, är dess kärna nackdel att det oundvikliga införandet av Al₂O₃-fasen under värmebehandling avsevärt försämrar nyckelegenskaper såsom värmeledningsförmågan hos den slutliga AlN-keramen. Det anses därför inte vara en idealisk antihydrolysväg för högkvalitativ lagring och applicering av AlN.
02 Oorganisk ytmodifiering
Oorganisk ytmodifiering använder huvudsakligen oorganiska syror som H₂SiO₃ eller H₃PO₄ för att skydda AlN, vilket bildar ett tunt filmliknande skikt på ytan som undertrycker hydrolys i lösning. I allmänhet påverkar lösligheten av den bildade filmen i hög grad hydrolysbeteendet. Till exempel har aluminiumsilikat mycket låg löslighet i både varmt och kallt vatten, medan aluminiumfosfat har högre löslighet i varmt vatten. Därför, vid förhöjda temperaturer, är antihydrolyseffekten av H₂SiO₃ betydligt bättre än H₃PO₄. Dessutom är effektiviteten av denna modifiering relaterad till partikelstorleken hos AlN-pulver. Mindre partiklar har högre ytaktivitet och starkare adsorptionskapacitet för oorganiska syror, vilket leder till en mer uttalad antihydrolyseffekt. För större partiklar är beläggningseffekten mindre effektiv än för små, så mindre storlekar är att föredra. Förutom tvättning av oorganisk syra tillåter behandling med en Al(H2PO4)3-lösning att fosfatanjoner bildar åtminstone ett monoskikt av fosfat på AlN-partikelytan, vilket förhindrar vatteninträngning. Därför är användningen av en enda högtemperatur Al(H₂PO₄)₃-lösningsbehandling, eller att kombinera den med tvättning med oorganisk syra, också ett effektivt tillvägagångssätt för antihydrolysmodifiering. Oorganiskt ytmodifierat AlN uppvisar god hydrolysbeständighet och låg kostnad, vilket gör det till en praktisk och lovande behandlingsmetod.
03 Organisk ytmodifiering
Organisk ytmodifiering använder vanligtvis hydrofoba långkedjiga organiska molekyler för att belägga AlN-pulverytan eller för att utföra in situ-polymerisation, vilket förhindrar vattenmolekyler från att komma i kontakt med AlN-ytan och därmed förbättras hydrolysbeständigheten. Detta tillvägagångssätt har enkel bearbetning, kort behandlingstid och betydande modifieringseffekter, samtidigt som det i viss utsträckning förbättrar dispergerbarheten av AlN-pulver i flytande suspensioner. Vanligt använda organiska modifieringsmedel inkluderar organiska karboxylsyror och stearinsyra. Karboxylgrupperna i sådana organiska syror kan interagera och reagera med hydroxylgrupper på AlN-ytan och täcker AlN-ytan med en lång organisk kedja som bildar ett effektivt vattentätt skikt. Dessutom innehåller kopplingsmedel-tillsatser som förbättrar gränsytegenskaperna mellan oorganiska och organiska material- både hydrofila och hydrofoba grupper. Den hydrofoba gruppen reagerar kemiskt med eller har god kompatibilitet med organiska material, medan den hydrofila gruppen kan bilda kemiska bindningar med oorganiska material. När den används som modifierare för AlN binder den hydrofila gruppen till AlN-ytan, medan den hydrofoba gruppen exponeras på AlN-ytan, vilket ger hydrofobicitet och förhindrar därmed direkt kontakt mellan vatten och AlN-ytan, vilket förbättrar hydrolysresistensen. Men eftersom organiska material i allmänhet har dålig termisk stabilitet, har denna teknik vissa begränsningar i tillämpningen.