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認識一下氮化硼“四兄弟”
氮化硼(Boron Nitride,BN)是一種由相同數(shù)量的氮原子(N)和硼原子(B)組成的二元化合物,分子式為BN。按晶型分,氮化硼被分為六方氮化硼(h-BN,又稱α-BN或g-BN)、立方氮化硼(c-BN,又稱β-BN或z-BN)、菱方氮化硼(r-BN)和纖鋅礦氮化硼(w-BN)。不同的氮化硼晶體結(jié)構(gòu)擁有不同的特點以及應(yīng)用。
表 氮化硼晶體結(jié)構(gòu)
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氮化硼不是自然產(chǎn)生的化合物,人工合成氮化硼可以追溯到1842年,Balmain首次利用硼酸(H3BO3)和氰化鉀(KCN)反應(yīng)合成了氮化硼。第二次世界大戰(zhàn)后,國外對BN材料進行了大量的研究工作,到1955年已經(jīng)解決了BN熱壓方法,此后BN材料開始大規(guī)模地發(fā)展。

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圖 《Bemerkungen über die Bildung von Verbindungen des Bors und Siliciums mit Stickstoff und gewissen Metallen》,W. H. Balmain

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圖 BN同素異形體結(jié)構(gòu)
01

六方氮化硼(h-BN)

六方氮化硼,英文名:hexagonal boron nitride,簡稱:h-BN,又稱α-BN或g-BN(graphitic BN),誕生在19世紀40年代的貝爾曼(Balmain)實驗室中,與石墨結(jié)構(gòu)相似,但h-BN呈象牙白色,所以也被稱為“白石墨”。

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圖 (a)石墨結(jié)構(gòu)示意圖;(b)h-BN結(jié)構(gòu)示意圖;(c)石墨俯視圖;(d)h-BN俯視圖
  • 性能特點

h-BN具有與石墨相似的層狀晶體結(jié)構(gòu),每一層都是出B原子和N原子按照sp2雜化方式交替排列組成的無限延伸的六邊形,這些原子層再沿C軸方向按照ABAB……方式排列。在同一層內(nèi),B和N原子之間靠共價鍵結(jié)合起來,層與層之間則以范德華力相結(jié)合。h-BN具有良好的潤滑性、電絕緣性、導(dǎo)熱性、耐化學(xué)腐蝕性等特點,且機械加工性能好,是一種性能優(yōu)異有很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞沾刹牧稀?/section>
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圖 氮化硼治具,來源:賽瑞特
  • 應(yīng)用領(lǐng)域

h-BN由于其具有優(yōu)異的潤滑性、熱穩(wěn)定性、絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性等,使其在很多方面都有廣泛的應(yīng)用。成型制品易機械加工,可作為原子反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料;飛機、火箭發(fā)動機噴口材料;高溫固體潤滑劑和多種精密鑄造制品脫模劑;耐高溫、耐腐燭氮化硼陶瓷及氮化硼復(fù)合陶瓷;抗高壓高頻電及等離子弧的絕緣體;耐火材料的氧化添加劑;電子器件中的絕緣膜;在X射線及可見光區(qū)域透明,因而可作為透明絕緣層用于電致發(fā)光器件,以及在制造亞納米量級的超大規(guī)模集成電路中做X射線保護膜等。
02

立方氮化硼(c-BN)

立方氮化硼,英文名:cubic Boron Nitride,簡稱:c-BN,又稱β-BN或z-BN。1957年,美國通用電氣公司的R.H.Wentorf以鎂為觸媒采用高溫高壓法首次合成出c-BN單晶,隨后Wentorf又在無觸媒的情況下將h-BN轉(zhuǎn)變?yōu)閏-BN,其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)引起了研究者的廣泛關(guān)注,使其成為了研究熱點。c-BN最初被認為在自然界不存在,直至2009年被科學(xué)家們在青藏高原南部地區(qū)地下發(fā)現(xiàn),并于2013年c-BN存在于自然界被國際礦物質(zhì)學(xué)協(xié)會正式承認。c-BN在自然界的儲量很低,獲得c-BN的方法主要是人工合成法,迄今為止,高溫高壓法仍是制備c-BN晶體的常用方法。

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圖 金剛石(左)和cBN(右)的結(jié)構(gòu)示意圖
c-BN的硼原子和氮原子是以sp3方式雜化,其結(jié)構(gòu)類似金剛石的晶體結(jié)構(gòu)——閃鋅礦型面心立方結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)決定了c-BN具有很多與金剛石類似的性質(zhì),但由于B、N原子和C原子屬性的差異也決定了c-BN具有其獨特的性質(zhì)。
  • 性能特點

c-BN具有僅次于金剛石的硬度、在高溫下良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕、抗氧化、超寬帶隙(6.4eV)、高熱導(dǎo)率(13W/(cm·K))、低介電常數(shù)(ε0=7.1,ε∞=4.5)、高擊穿場強(8MV·cm-1)、高飽和漂移速度和可發(fā)射及探測至深紫外的短波長光、可以通過摻雜得到 n 型或 p 型半導(dǎo)體材料等諸多特性,是超寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域里最為典型的一種超硬多功能材料。特別是,c-BN在高溫下不與鐵、鈷、鎳等金屬反應(yīng),是各行業(yè)里黑色金屬加工的首選材料,加上優(yōu)異的光學(xué)、電子學(xué)性質(zhì),使其與金剛石并稱為“國家戰(zhàn)略性物資”,是國家工信部重點發(fā)展的材料之一。
  • 應(yīng)用領(lǐng)域

c-BN 優(yōu)異的機械性能使得其在加工難加工材料(高強度鋼和超高強度鋼,高溫合金等)和難加工結(jié)構(gòu)(薄壁件結(jié)構(gòu),葉片及渦輪盤結(jié)構(gòu))等方面具有獨特的優(yōu)越性,c-BN常被用為磨具和刀具材料,是切削加工、鉆探、磨削、銑削的利器。
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此外,作為第三代半導(dǎo)體材料,c-BN可以制備在特種環(huán)境下透明、高溫、高頻、大功率、抗輻射短波光電子器件,在大功率電子學(xué)、深紫外光電子學(xué)和量子通信等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。因其在紫外到遠紅外整個波段具有優(yōu)良的透過率,結(jié)合其良好的抗熱沖擊性能和硬度,c-BN有望成為大功率激光器和探測器的理想窗口材料。

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圖 傳統(tǒng)半導(dǎo)體、寬禁帶(WBG)和超寬禁帶(UWBG)半導(dǎo)體的巴利加優(yōu)值圖(BFOM)。
03

纖鋅礦型氮化硼(w-BN)

纖鋅礦型氮化硼,英文名:Wurtzite boron nitride,簡稱:w-BN。20世紀60年代初期,Bundy和Wentorf在2500K以下和11.5GPa以上的靜態(tài)高溫高壓條件下用類石墨的hBN首次合成出了纖鋅礦型結(jié)構(gòu)的氮化硼,幾年后,科學(xué)家們采用沖擊波法以hBN為原料也成功合成出w-BN。1971 年,日本油脂公司(Nippon Oil & Fats )與昭和電工公司( Showa Denko)實現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模的w-BN的沖擊合成;1976年,東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Institute of Technology)和日本油脂公司開始嘗試生產(chǎn)w-BN切削刀具,并于1980年首次出售商用w-BN切削刀具。
  • 性能特點

w-BN中硼原子和氮原子的雜化方式與c-BN相同均是以sp3方式雜化。雖然其結(jié)構(gòu)和立方氮化硼結(jié)構(gòu)不同,但其性質(zhì)卻和c-BN相似,密度僅相差1%,具有僅次于金剛石的硬度,高溫下具有比金剛石更好的化學(xué)穩(wěn)定性,具有僅次于金剛石的導(dǎo)熱性。
  • 應(yīng)用領(lǐng)域

作為一種超硬材料,w-BN可以在地質(zhì)勘探中取代金剛石,應(yīng)用于鉆頭和切削工具。
04

菱方氮化硼(r-BN)

菱方氮化硼又稱三方氮化硼,英文名:rhombohedral boron nitride,簡稱:r-BN。硼原子和氮原子是以sp2方式雜化,這與六方氮化硼相同,同時其結(jié)構(gòu)也與六方氮化硼類似,都是層狀結(jié)構(gòu),不同的是他們層的排列方式,菱方氮化硼是以ABCABCABC……的方式排列,層間存在范德華力。
  • 性能特點

r-BN保持了h-BN幾乎所有的優(yōu)異性質(zhì),具有較好的抗氧化性和較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),良好的導(dǎo)熱性能,并具有非中心對稱的ABC堆垛結(jié)構(gòu),因而具備本征的滑移鐵電性和非線性光學(xué)性質(zhì)。
  • 應(yīng)用領(lǐng)域

r-BN化學(xué)穩(wěn)定性高,在空氣中的抗氧化溫度接近900℃,是優(yōu)良的高溫耐火材料;r-BN還具有很高的電阻率,其薄膜可以作為電子器件的絕緣膜;此外,r-BN的發(fā)光位置在紫外光波段,可作紫外或者深紫外的發(fā)光材料。r-BN晶體材料由于具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性等特點,在成為高溫、大功率、高速半導(dǎo)體器件的理想襯底和熱沉材料方面具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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圖 北京大學(xué)物理學(xué)院,熔融石英上的菱方氮化硼光學(xué)晶體,厚度只有1至3微米

艾邦建有陶瓷基板產(chǎn)業(yè)群,歡迎上下游企業(yè)加入微信群,長按識別二維碼即可加入

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8月28-30日,艾邦將于深圳國際會展中心7號館舉辦第六屆精密陶瓷暨功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會,同期將舉辦陶瓷基板專場論壇,賽瑞特將展示氮化硼產(chǎn)品,并做氮化硼相關(guān)主題報告演講,歡迎蒞臨參觀交流。

推薦展會:第六屆精密陶瓷暨功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會

同期舉辦:熱管理材料展

2024年8月28日-30日??
深圳國際會展中心7號館(寶安新館)
展出2萬平米、1,000個攤位、500多家展商、50,000名專業(yè)觀眾;匯聚IGBT/SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈;熱管理材料產(chǎn)業(yè)鏈,精密陶瓷、電子陶瓷、陶瓷基板、薄膜/厚膜陶瓷電路板、陶瓷封裝管殼、LTCC/HTCC/MLCC加工產(chǎn)業(yè)鏈等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)!

一、精密陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈:

1、陶瓷器件及材料MLCC、LTCC、HTCC、微波介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、鈦酸鋇、碳酸鋇、氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、玻璃粉、氮化鋁、LTCC介質(zhì)陶瓷粉體、稀土氧化物、生瓷帶等;

2、精密陶瓷:氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化釔、結(jié)構(gòu)陶瓷、高溫陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷軸承、陶瓷球、半導(dǎo)體陶瓷(搬運臂、陶瓷劈刀、靜電卡盤、蝕刻環(huán)……)、3D打印陶瓷、燃料電池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纖陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

3、陶瓷基板及封裝外殼:陶瓷封裝外殼、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜電路板、厚膜電路板、陶瓷封裝基座、熱沉、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹、莫來石粉體及基板等;

4、金屬材料:銀粉、金粉、銅粉、鎳粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用內(nèi)/外電極漿料、LTCC銀漿、金漿、鎢鉬漿料、銅漿、靶材、無氧銅帶、可伐合金、金屬沖壓件等;

5、助劑:陶瓷和導(dǎo)電漿料用分散劑、黏合劑、增塑劑、絮凝劑、礦化劑、消泡劑、潤滑劑、燒結(jié)助劑等;

6、設(shè)備:

陶瓷加工設(shè)備:砂磨機、球磨機、真空脫泡機、三輥機、噴霧造粒機、干壓機、流延機、注塑機、3D打印機、模具、干燥設(shè)備、研磨機、精雕機、裁片機、激光設(shè)備、打孔機、填孔機、絲網(wǎng)印刷機、疊層機、層壓機、等靜壓機、熱切機、整平機、排膠爐、燒結(jié)爐、釬焊設(shè)備、電鍍設(shè)備、化學(xué)鍍、噴銀機、浸銀機、端銀機、真空鍍膜設(shè)備、顯影設(shè)備、去膜設(shè)備、蝕刻機、濕制程設(shè)備、等離子清洗、超聲波清洗、自動化設(shè)備、剝離強度測試儀、AOI檢測設(shè)備、打標機;

封裝測試設(shè)備:貼片機、引線鍵合機、封蓋機、平行縫焊封帽、切筋機、釬焊設(shè)備、激光調(diào)阻機、網(wǎng)絡(luò)分析儀、熱循環(huán)測試設(shè)備、測厚儀、氦氣檢漏儀、老化設(shè)備、外觀檢測、超聲波掃描顯微鏡、X-光檢測、激光打標、分選設(shè)備、測包編帶機等;

7、耗材:離型膜、載帶(塑料和紙質(zhì))、耐火材料、承燒板/匣缽(氧化鋁、剛玉莫來石、氮化硼等)、承燒網(wǎng)、發(fā)泡膠、研磨耗材(金剛石微粉、研磨液)、精密網(wǎng)版、清洗劑、電鍍藥水等。

二、熱管理產(chǎn)業(yè)鏈:

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1、熱管理材料:氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、石墨烯、石墨、碳納米管、空心玻璃微珠、導(dǎo)熱粉體、散熱基板、熱沉(鎢銅、鉬銅、氮化鋁、金剛石等)、鋁碳化硅AlSiC、相變材料、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱膠帶、灌封膠、熱管/均熱板;

2、散熱器件:半導(dǎo)體制冷片(TEC)、IGBT散熱器(銅、鋁)、大功率晶體管散熱器、通信基站散熱殼體、液態(tài)金屬散熱器、插針式散熱器等;

3、設(shè)備:壓延機、涂布機、分條機、模切機、復(fù)卷機、切片機,CNC設(shè)備、壓鑄/沖壓設(shè)備、熱分析儀器、激光導(dǎo)熱儀、導(dǎo)熱系數(shù)儀、強度試驗機、檢測設(shè)備、自動化等。

三、功率半導(dǎo)體器件封裝產(chǎn)業(yè)鏈:

1、材料:碳化硅,陶瓷襯板(DBC、AMB)、封裝管殼、鍵合絲、散熱基板(銅、鋁碳化硅AlSiC)、導(dǎo)熱硅凝膠、環(huán)氧灌封膠、焊料(預(yù)制焊片)、銀膜/銀膏、散熱器(銅、鋁)、功率引出端子(銅端子)、外殼(工程塑料PPS、PBT、高溫尼龍)、清洗劑等;

2、設(shè)備及配件:真空焊接爐、貼片機、固晶機、引線鍵合機、X-ray、推拉力測試機、等離子清洗設(shè)備、點膠機、絲網(wǎng)印刷機、超聲波掃描設(shè)備、動靜態(tài)測試機、點/灌膠機、銀燒結(jié)設(shè)備、垂直固化爐、甲酸真空共晶爐、自動封蓋設(shè)備、高速插針機、彎折設(shè)備、超聲波焊接機、視覺檢測設(shè)備、推拉力測試機、高低溫沖擊設(shè)備、功率循環(huán)測試設(shè)備、打標機、檢驗平臺、治具等;

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