5G絕緣導熱氮化硼系列材料的介紹及應用

導語： 隨著電子設備的性能和功能的提高，每個設備產(chǎn)生的熱量增加，熱量有效地散發(fā)、消散和冷卻熱量很重要。對于5G智能手機和AR/VR設備等高性能移動產(chǎn)品，由于采用高性能IC和追求減輕重量的高度集成設計，導致散熱部件的安裝空間受到限制，因此利用高導熱墊片和導熱凝膠等TIM材料來更好地散熱。 

什么是氮化硼?

氮化硼是由氮原子和硼原子所構成的晶體?；瘜W組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纖鋅礦氮化硼（WBN）。

氮化硼問世于100多年前，最早的應用是作為高溫潤滑劑的六方氮化硼，不僅其結構而且其性能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人發(fā)現(xiàn)的化合物。國外對BN材料從第二次世界大戰(zhàn)后進行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法后才發(fā)展起來的。美國金剛石公司和聯(lián)合碳公司首先投入了生產(chǎn)，1960年已生產(chǎn)10噸以上。

1957年R·H·Wentrof率先試制成功CBN，1969年美國通用電氣公司以商品Borazon銷售，1973年美國宣布制成CBN刀具。 

1975年日本從美國引進技術也制備了CBN刀具。

1979年首次成功采用脈沖等離子體技術在低溫低壓卜制備崩c—BN薄膜。

20世紀90年代末，人們已能夠運用多種物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）的方法制備c-BN薄膜。

從中國國內(nèi)看，發(fā)展突飛猛進，1963年開始BN粉末的研究，1966年研制成功，1967年投入生產(chǎn)并應用于我國工業(yè)和尖端技術之中。

物質特性：

CBN通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結構，具有良好的導熱性。硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，常用作刀具材料和磨料。 

氮化硼具有抗化學侵蝕性質，不被無機酸和水侵蝕。在熱濃堿中硼氮鍵被斷開。1200℃以上開始在空氣中氧化。真空時約2700℃開始分解。微溶于熱酸，不溶于冷水，相對密度2.29。壓縮強度為170MPa。在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達2800℃，但在常溫下潤滑性能較差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更優(yōu)。對于六方氮化硼：摩擦系數(shù)很低、高溫穩(wěn)定性很好、耐熱震性很好、強度很高、導熱系數(shù)很高、膨脹系數(shù)較低、電阻率很大、耐腐蝕、可透微波或透紅外線。

物質結構：

氮化硼六方晶系結晶，最常見為石墨晶格，也有無定形變體，除了六方晶型以外，氮化硼還有其他晶型，包括：菱方氮化硼（r-BN)、立方氮化硼（c-BN）、纖鋅礦型氮化硼（w-BN)。人們甚至還發(fā)現(xiàn)像石墨稀一樣的二維氮化硼晶體。

通常制得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉變?yōu)榻饎偸脑眍愃疲偷鹪诟邷兀?800℃）、高壓（8000Mpa）[5~18GPa]下可轉變?yōu)榻饎傂偷?。是新型耐高溫的超硬材料，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。

應用領域：

1. 金屬成型的脫模劑和金屬拉絲的潤滑劑。

2. 高溫狀態(tài)的特殊電解、電阻材料。

3. 高溫固體潤滑劑，擠壓抗磨添加劑，生產(chǎn)陶瓷復合材料的添加劑，耐火材料和抗氧化添加劑，尤其抗熔融金屬腐蝕的場合，熱增強添加劑、耐高溫的絕緣材料。

4. 晶體管的熱封干燥劑和塑料樹脂等聚合物的添加劑。

5. 壓制成各種形狀的氮化硼制品，可用做高溫、高壓、絕緣、散熱部件。

6. 航天航空中的熱屏蔽材料。

7. 在觸媒參與下，經(jīng)高溫高壓處理可轉化為堅硬如金剛石的立方氮化硼。

8. 原子反應堆的結構材料。

9. 飛機、火箭發(fā)動機的噴口。

10.高壓高頻電及等離子弧的絕緣體。

11.防止中子輻射的包裝材料。

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質勘探、石油鉆探的鉆頭。

13.冶金上用于連續(xù)鑄鋼的分離環(huán)，非晶態(tài)鐵的流槽口，連續(xù)鑄鋁的脫模劑。

14.做各種電容器薄膜鍍鋁、顯像管鍍鋁、顯示器鍍鋁等的蒸發(fā)舟。

15.各種保鮮鍍鋁包裝袋等。

16.各種激光防偽鍍鋁、商標燙金材料，各種煙標，啤酒標、包裝盒，香煙包裝盒鍍鋁等等。

17.化妝品用于口紅的填料，無毒又有潤滑性，又有光澤。

未來前景：

由于鋼鐵材料硬度很高，因而加工時會產(chǎn)生大量的熱，金剛石工具在高溫下易分解，且容易與過渡金屬反應，而c-BN材料熱穩(wěn)定性好，且不易與鐵族金屬或合金發(fā)生反應，可廣泛應用于鋼鐵制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有優(yōu)良的耐磨性能外，耐熱性能也極為優(yōu)良，在相當高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、鐵合金、淬火鋼等，并且能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對刀具磨損非常嚴重的Si-Al合金等。實際上，由c-BN晶體（高溫高壓合成)的燒結體做成的刀具、磨具已應用于各種硬質合金材料的高速精密加工中。

c-BN作為一種寬禁帶（帶隙6.4 eV）半導體材料，具有高熱導率、高電阻率、高遷移率、低介電常數(shù)、高擊穿電場、能實現(xiàn)雙型摻雜且具有良好的穩(wěn)定性，它與金剛石、SiC和GaN一起被稱為繼Si、Ge及GaAs之后的第三代半導體材料，它們的共同特點是帶隙寬，適用于制作在極端條件下使用的電子器件。與SiC和GaN相比，c-BN與金剛石有著更為優(yōu)異的性質，如更寬的帶隙、更高的遷移率、更高的擊穿電場、更低的介電常數(shù)和更高的熱導率。顯然作為極端電子學材料，c-BN與金剛石更勝一籌。然而作為半導體材料金剛石有它致命的弱點，即金剛石的n型摻雜十分困難（其n型摻雜的電阻率只能達到102 Ω·cm，遠遠未達到器件標準），而c-BN則可以實現(xiàn)雙型摻雜。例如，在高溫高壓合成以及薄膜制備過程中，添加Be可得到P型半導體；添加S、C、Si等可得到n型半導體。因此綜合看來c-BN是性能最為優(yōu)異的第三代半導體材料，不僅能用于制備在高溫、高頻、大功率等極端條件下工作的電子器件，而且在深紫外發(fā)光和探測器方面有著廣泛的應用前景。事實上，最早報道了在高溫高壓條件下制成的c-BN發(fā)光二極管，可在650℃的溫度下工作，在正向偏壓下二極管發(fā)出肉眼可見的藍光，光譜測量表明其最短波長為215 nm（5.8 eV）。c-BN具有和GaAs、Si相近的熱膨脹系數(shù)，高的熱導率和低的介電常數(shù)，絕緣性能好，化學穩(wěn)定性好，使它成為集成電路的熱沉材料和絕緣涂覆層。此外c-BN具有負的電子親和勢，可以用于冷陰極場發(fā)射材料，在大面積平板顯示領域具有廣泛的應用前景。

在光學應用方面，由于c-BN薄膜硬度高，并且從紫外（約從200 nm開始）到遠紅外整個波段都具有高的透過率，因此適合作為一些光學元件的表面涂層，特別適合作為硒化鋅（ZnSe）、硫化鋅（ZnS）等窗口材料的涂層。此外，它具有良好的抗熱沖擊性能和商硬度，有望成為大功率激光器和探測器的理想窗窗口材料