Несомненно, нитрид алюминия является одним из самых популярных керамических материалов последних лет. Его уникальные свойства позволяют ему преуспеть в тех областях, где оксид алюминия уже неэффективен. Следовательно, в отрасли циркулирует представление о том, что «нитрид алюминия заменит оксид алюминия».
В 1856 году французский ученый Анри Сент-Клер Девиль предложил процесс спекания бокситов содой, что ознаменовало первую попытку извлечь оксид алюминия из боксита и положило начало развитию промышленности по производству оксида алюминия.
Применение оксида алюминия в керамической промышленности началось 49 лет спустя. В 1905 году Германия стала пионером в исследовании режущих инструментов из оксида алюминия, что также стало отправной точкой всей передовой керамической промышленности. Однако из-за ограниченности технологий того времени характеристики и диапазон применения керамики из оксида алюминия были весьма ограничены. После Второй мировой войны страны начали увеличивать инвестиции в исследования и разработки в области современной керамики. Процесс производства керамики из оксида алюминия постепенно совершенствовался, и она постепенно применялась в различных секторах, таких как машиностроение, электроника и аэрокосмическая промышленность. Сегодня керамика из оксида алюминия стала наиболее широко используемым и универсальным типом современной керамики.
Теперь давайте посмотрим на нитрид алюминия. Исследования нитрида алюминия также начались рано. Его открыли Ф. Биргелер и А. Гойтер в 1862 г., а в 1877 г. Дж. В. Малле впервые успешно синтезировал нитрид алюминия. Однако более 100 лет спустя он не нашел практического применения и рассматривался только как агент фиксации азота в удобрениях.
Поскольку нитрид алюминия является ковалентным соединением с низким коэффициентом самодиффузии и высокой температурой плавления, его трудно спекать. Лишь в 1950-х годах люди впервые успешно начали производить керамику из нитрида алюминия, используя ее в качестве огнеупорных материалов для выплавки чистого железа, алюминия и алюминиевых сплавов. Начиная с 1970-х годов, по мере углубления исследований, прорывы в процессах получения нитрида алюминия постоянно расширяли сферу его применения, хотя и оставались относительно ограниченными. В последние годы, в связи с быстрым развитием технологий микроэлектроники, электронные устройства и компоненты движутся в сторону миниатюризации, легкого веса, интеграции, высокой надежности и высокой-выходной мощности. Все более сложные устройства предъявляют более высокие требования к отводу тепла от подложки и упаковочных материалов, привлекая значительное внимание к нитриду алюминия из-за его высокой теплопроводности.
Учитывая текущую тенденцию развития, когда электронные чипы обладают все более широкими характеристиками и меньшими габаритными размерами, плотность теплового потока, генерируемого во время работы чипа, также резко возросла. Для электронных устройств, как правило, каждые 10 градусов повышения температуры эффективный срок службы устройства сокращается на 30–50%. Поэтому выбор подходящих упаковочных материалов и процессов для повышения способности устройств рассеивать тепло стал техническим узким местом при разработке силовых устройств.
С точки зрения теплопроводности в упомянутых выше областях оксид алюминия и нитрид алюминия не находятся в одной лиге. Но может ли нитрид алюминия вытеснить оксид алюминия?
Коэффициент теплопроводности оксида алюминия составляет всего 30 Вт/(м·К). Хотя он и не высокий, его достаточно для приложений низкого---среднего-диапазона. Важно отметить, что он дешев и имеет отлаженный производственный процесс. Для приложений низкого---среднего-диапазона выбор будет правильным.
Теоретическая теплопроводность нитрида алюминия может достигать 320 Вт/(м·К), что в 8–10 раз выше, чем у керамики из оксида алюминия. Фактическая теплопроводность, достигаемая при производстве, также может достигать 200 Вт/(м·К). Однако его высокая цена означает, что он в первую очередь ориентирован на постоянно растущие потребности-рынка высокого класса.
Таким образом, отношения между оксидом алюминия и нитридом алюминия — это не простая «замена», а взаимодополняющее сосуществование, каждый из которых служит своей цели.
Даже без нитрида алюминия оксиду алюминия будет сложно закрепиться на-рынке высокого класса. И наоборот, на рынках низкого---среднего-класса, где достаточно оксида алюминия, никто не будет настолько глуп, чтобы использовать гораздо более дорогой нитрид алюминия. В этих областях оксид алюминия остается королем.