國(guó)家專利高端材料-超薄高導(dǎo)熱絕緣氮化硼膜

關(guān)鍵詞：高導(dǎo)熱絕緣，TIM材料，氮化硼，高端材料

導(dǎo)語(yǔ)：5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對(duì)于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時(shí)，引起了這些部位發(fā)熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當(dāng)前5G射頻芯片、毫米波天線、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

致力于解決當(dāng)前我國(guó)電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的瓶頸技術(shù)問題，建立了國(guó)際先進(jìn)的熱管理解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國(guó)內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型研發(fā)團(tuán)隊(duì)。本產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)自主研發(fā)的高質(zhì)量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、低介電系數(shù)、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當(dāng)前我國(guó)電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的“卡脖子”問題，擁有國(guó)際先進(jìn)的熱管理TIM解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國(guó)內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型高科技產(chǎn)品。

產(chǎn)品的應(yīng)用方向?yàn)?G通訊絕緣熱管理，主要目標(biāo)市場(chǎng)可分為終端設(shè)備，智能工業(yè)，及新能源汽車三大板塊。5G技術(shù)是近年來(lái)最受矚目的關(guān)鍵科技，也是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的核心產(chǎn)業(yè)之一。隨著5G商用，工業(yè)4.0、智慧城市、無(wú)人駕駛等科技建設(shè)的推進(jìn)，該項(xiàng)目已經(jīng)初步形成了萬(wàn)億的市場(chǎng)規(guī)模，并持續(xù)快速發(fā)展。

5G技術(shù)---將成為移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動(dòng)機(jī)！

一

5G移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動(dòng)機(jī)

什么是5G？

“5G”一詞通常用于指代第 5 代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。5G 是繼之前的標(biāo)準(zhǔn)（1G、2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)）之后的最新全球無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，并為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用提供更高的帶寬。除其他好處外，5G 有助于建立一個(gè)新的、更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)備爆炸式增長(zhǎng)的連接——該網(wǎng)絡(luò)不僅可以連接人們通常使用的端點(diǎn)，還可以連接一系列新設(shè)備，包括各種家用物品和機(jī)器。公認(rèn)的5G的優(yōu)勢(shì)是：

?具有更高可用性和容量的更可靠的網(wǎng)絡(luò)

?更高的峰值數(shù)據(jù)速度（多 Gbps）

?超低延遲

與前幾代網(wǎng)絡(luò)不同，5G 網(wǎng)絡(luò)利用在 26 GHz 至 40 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行的高頻波長(zhǎng)（通常稱為毫米波）。由于干擾建筑物、樹木甚至雨等物體，在這些高頻下會(huì)遇到傳輸損耗，因此需要更高功率和更高效的電源。5G部署最初可能會(huì)以增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶應(yīng)用為中心，滿足以人為中心的多媒體內(nèi)容、服務(wù)和數(shù)據(jù)接入需求。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶用例將包括全新的應(yīng)用領(lǐng)域、性能提升的需求和日益無(wú)縫的用戶體驗(yàn)，超越現(xiàn)有移動(dòng)寬帶應(yīng)用所支持的水平。

毫米波是5G的關(guān)鍵技術(shù)

毫米波通信是未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信重要發(fā)展方向之一，目前已經(jīng)在大規(guī)模天線技術(shù)、低比特量化ADC、低復(fù)雜度信道估計(jì)技術(shù)、功放非線性失真等關(guān)鍵技術(shù)上有了明顯研究進(jìn)展。但是隨著新一代無(wú)線通信對(duì)無(wú)線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)提出新的長(zhǎng)距離、高移動(dòng)、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求，針對(duì)毫米波無(wú)線通信的理論研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨重大挑戰(zhàn)，開展面向長(zhǎng)距離、高移動(dòng)毫米波無(wú)線寬帶系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，已經(jīng)成為新一代寬帶移動(dòng)通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優(yōu)勢(shì)： 毫米波由于其頻率高、波長(zhǎng)短，具有如下特點(diǎn)：

頻譜寬，配合各種多址復(fù)用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù)；可靠性高，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩(wěn)定的傳輸信道；方向性好，毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大，使得傳輸波束較窄，增大了竊聽難度，適合短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；波長(zhǎng)極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線陣。

毫米波的缺點(diǎn)：毫米波也有一個(gè)主要缺點(diǎn)，那就是不容易穿過建筑物或者障礙物，并且可以被葉子和雨水吸收。這也是為什么5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)采用小基站的方式來(lái)加強(qiáng)傳統(tǒng)的蜂窩塔。

什么是熱管理？

熱管理？顧名思義，就是對(duì)“熱“進(jìn)行管理，英文是：Thermal Management。熱管理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，控制著系統(tǒng)中熱的分散、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換。先進(jìn)的熱管理材料構(gòu)成了熱管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而熱傳導(dǎo)率則是所有熱管理材料的核心技術(shù)指標(biāo)。

導(dǎo)熱率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力，按傅立葉定律（見熱傳導(dǎo)），其定義為單位溫度梯度（在1m長(zhǎng)度內(nèi)溫度降低1K）在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。熱導(dǎo)率大，表示物體是優(yōu)良的熱導(dǎo)體；而熱導(dǎo)率小的是熱的不良導(dǎo)體或?yàn)闊峤^緣體。

5G手機(jī)以及硬件終端產(chǎn)品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，電子設(shè)備和許多其他高功率系統(tǒng)的性能和可靠性受到散熱問題的嚴(yán)重威脅。要解決這個(gè)問題，散熱材料必須在導(dǎo)熱性、厚度、靈活性和堅(jiān)固性方面獲得更好的性能，以匹配散熱系統(tǒng)的復(fù)雜性和高度集成性。

什么是氮化硼?

氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體。化學(xué)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(yīng)用是作為高溫潤(rùn)滑劑的六方氮化硼，不僅其結(jié)構(gòu)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(guó)外對(duì)BN材料從第二次世界大戰(zhàn)后進(jìn)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(lái)的。美國(guó)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(guó)通用電氣公司以商品Borazon銷售，1973年美國(guó)宣布制成CBN刀具。

1975年日本從美國(guó)引進(jìn)技術(shù)也制備了CBN刀具。

1979年首次成功采用脈沖等離子體技術(shù)在低溫低壓卜制備崩c—BN薄膜。

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

從中國(guó)國(guó)內(nèi)看，發(fā)展突飛猛進(jìn)，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(yīng)用于我國(guó)工業(yè)和尖端技術(shù)之中。

物質(zhì)特性：

CBN通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)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(xué)侵蝕性質(zhì)，不被無(wú)機(jī)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(shí)約2700℃開始分解。微溶于熱酸，不溶于冷水，相對(duì)密度2.29。壓縮強(qiáng)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(dá)2800℃，但在常溫下潤(rùn)滑性能較差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更優(yōu)。對(duì)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(qiáng)度很高、導(dǎo)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(zhì)結(jié)構(gòu)：

氮化硼六方晶系結(jié)晶，最常見為石墨晶格，也有無(wú)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(jié)構(gòu)，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸脑眍愃?，石墨型氮化硼在高溫?800℃）、高壓（8000Mpa）[5~18GPa]下可轉(zhuǎn)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(yīng)用領(lǐng)域：

1. 金屬成型的脫模劑和金屬拉絲的潤(rùn)滑劑。

2. 高溫狀態(tài)的特殊電解、電阻材料。

3. 高溫固體潤(rùn)滑劑，擠壓抗磨添加劑，生產(chǎn)陶瓷復(fù)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(chǎng)合，熱增強(qiáng)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(zhuǎn)化為堅(jiān)硬如金剛石的立方氮化硼。

8. 原子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。

9. 飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhì)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(biāo)燙金材料，各種煙標(biāo)，啤酒標(biāo)、包裝盒，香煙包裝盒鍍鋁等等。

17.化妝品用于口紅的填料，無(wú)毒又有潤(rùn)滑性，又有光澤。

未來(lái)前景：

由于鋼鐵材料硬度很高，因而加工時(shí)會(huì)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(yīng)，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(yīng)，可廣泛應(yīng)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(dāng)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(duì)刀具磨損非常嚴(yán)重的Si-Al合金等。實(shí)際上，由c-BN晶體（高溫高壓合成)的燒結(jié)體做成的刀具、磨具已應(yīng)用于各種硬質(zhì)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(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高電阻率、高遷移率、低介電常數(shù)、高擊穿電場(chǎng)、能實(shí)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(dǎo)體材料，它們的共同特點(diǎn)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(zhì)，如更寬的帶隙、更高的遷移率、更高的擊穿電場(chǎng)、更低的介電常數(shù)和更高的熱導(dǎo)率。顯然作為極端電子學(xué)材料，c-BN與金剛石更勝一籌。然而作為半導(dǎo)體材料金剛石有它致命的弱點(diǎn)，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(dá)到102Ω·cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到器件標(biāo)準(zhǔn)），而c-BN則可以實(shí)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(dǎo)體；添加S、C、Si等可得到n型半導(dǎo)體。因此綜合看來(lái)c-BN是性能最為優(yōu)異的第三代半導(dǎo)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(cè)器方面有著廣泛的應(yīng)用前景。事實(shí)上，最早報(bào)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(lán)光，光譜測(cè)量表明其最短波長(zhǎng)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(dǎo)率和低的介電常數(shù)，絕緣性能好，化學(xué)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(fù)的電子親和勢(shì)，可以用于冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料，在大面積平板顯示領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在光學(xué)應(yīng)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(yuǎn)紅外整個(gè)波段都具有高的透過率，因此適合作為一些光學(xué)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(cè)器的理想窗窗口材料。

超薄透波絕緣氮化硼膜材

六方氮化硼（h-BN）這種二維結(jié)構(gòu)材料，又名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一樣，僅有一個(gè)原子厚度。但是兩者很大的區(qū)別是六方氮化硼是一種天然絕緣體而石墨烯是一種完美的導(dǎo)體。與石墨烯不同的是，h-BN的導(dǎo)熱性能很好，可以量化為聲子形式（從技術(shù)層面上講，一個(gè)聲子即是一組原子中的一個(gè)準(zhǔn)粒子）。有材料專家說道：“使用氮化硼去控制熱流看上去很值得深入研究。我們希望所有的電子器件都可以盡可能快速有效地散射。而其中的缺點(diǎn)之一，尤其是在對(duì)于組裝在基底上的層狀材料來(lái)說，熱量在其中某個(gè)方向上沿著傳導(dǎo)平面散失很快，而層之間散熱效果不好，多層堆積的石墨烯即是如此?！迸c石墨中的六角碳網(wǎng)相似，六方氮化硼中氮和硼也組成六角網(wǎng)狀層面，互相重疊，構(gòu)成晶體。晶體與石墨相似，具有反磁性及很高的異向性，晶體參數(shù)兩者也頗為相近。

二維氮化硼散熱膜是一種性能優(yōu)異的均熱散熱材料。傳統(tǒng)的人工石墨膜和石墨烯薄膜具有電磁屏蔽的特性，在5G通訊設(shè)備中的應(yīng)用場(chǎng)景受限，特別是在分布式天線的5G手機(jī)中。二維氮化硼散熱膜具有極低的介電系數(shù)和介電損耗，是一種理想的透電磁波散熱材料，能被用于解決5G手機(jī)散熱問題。

基于二維氮化硼納米片的復(fù)合薄膜，此散熱膜具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、高絕緣、低介電系數(shù)、低介電損耗等優(yōu)異特性，是5G射頻芯片、毫米波天線領(lǐng)域最為有效的散熱材料之一。

高導(dǎo)熱透波絕緣氮化硼膜材主要應(yīng)用