氮化铝陶瓷片产品介绍

氮化铝（AluminumNitrideCeramic，AlN）是综合性 能优良的新型先进陶瓷材料，被认为是新一代高集成 度半导体基片和电子器件的理想封装材料。同时，氮 化铝粉体也是提高高分子材料热导率和力学性能的最 佳添加料，如环氧树脂中加入氮化铝粉体可以明显提 高其热导率，广泛应用于大功率模块，受到国内外研究 者的广泛重视。此外，氮化铝陶瓷还具有高强度、高硬 度（12GPa）、高抗弯强度（300~400MPa）等良好的物理 性能及优异的化学稳定性和耐腐蚀性能，在空气中温 度为1000℃以及在真空中温度达到1400℃时仍可保 持稳定，可用作熔炼有色金属和半导体材料砷化镓的 坩埚、蒸发舟、热电偶的保护管、高温绝缘件，同时可作 为微波介电材料、耐高温及耐腐蚀结构陶瓷及透明氮 化铝微波陶瓷制品。因而成为一种具有广泛应用前景的无机材料。

1 氮化铝生产过程中的控制因素 AlN陶瓷已被广泛应用于电子、冶金、机械、国防 等各个领域，虽然其具有热导率高（320W/（m·K））、热 膨胀系数（4.3×10-6℃-1）与半导体硅材料（（3.5~4.0） ×10-6℃-1）匹配、力学性能好、电性能优良、无毒等诸多 非常优异的综合性能［1-6］，然而在氮化铝陶瓷生产过程 中仍面临着许多制约其应用的技术因素，主要包括以 下几个方面： 1）低氧含量高纯氮化铝粉体的制备。优质的氮化 铝粉体要求材料的粒度细，氧含量低（＜1.5%），铁含 量＜0.01%。

2）氮化铝粉体的表面改性。由于氮化铝暴露在空 气中氧含量会增加，影响烧结制品的热导率，同时在处 理过程中也会增加氧的含量，所以有必要对氮化铝粉 体进行表面改性，并且为下一步的成型提供流动性好 的粉体。

3）氮化铝的胶态成型研究。根据氮化铝的应用领 域，成型方式以流延成型及注射成型为主，首先应把粉 体配置成均匀悬浮料浆，添加粘结剂、增塑剂、分散剂、 烧结助剂等，成型过程中，须考虑湿坯的弯液面处阻碍 料浆的传输，造成的缺陷。

4）氮化铝陶瓷的烧结研究。氮化铝属于共价化合 物，熔点高，原子自扩散系数小。因此，纯的AlN粉末 在通常的烧结条件下很难烧结致密，所以需要引入烧结助剂或采用新型烧结技术进行氮化铝陶瓷的烧结。

2  AlN陶瓷的成型工艺

氮化铝粉末的成形工艺有多种，传统的成形工艺 诸如模压，热压，等静压等均适用。由于氮化铝粉末的 亲水性强，为了减少氮化铝的氧化，成形过程中应尽量 避免与水接触。另外，热压、等静压虽然适用于制备高 性能的块体氮化铝瓷材料，但成本高、生产效率低，无 法满足电子工业对氮化铝陶瓷基片用量日益增加的需 求。为了解决这一问题，近年来人们研究采用流延法 成形氮化铝陶瓷基片。流延法也已成为电子工业用氮 化铝陶瓷基本的主要成形工艺。 流延成型制备多层氮化铝陶瓷的主要工艺是：将 氮化铝粉料、烧结助剂、粘结剂、溶剂混合均匀制成浆 料，通过流延制成坯片，采用组合模冲成标准片，然后 用程控冲床冲成通孔，用丝网印刷印制金属图形，将每 一个具有功能图形的生坯片叠加，层压成多层陶瓷生 坯片，在氮气中约700℃排除粘结剂，然后在1800℃ 氮气中进行共烧，电镀后即形成多层氮化铝陶瓷。 在生产过程中，通常对流延后的产品质量要求十 分严格，因此必须要注意以下几个关键点：刮刀的表面 粗糙度、浆料槽液面高度、浆料的均匀性、流延厚度、制 定并执行最佳的干燥工艺等。

3 AlN陶瓷低温烧结

氮化铝属于共价化合物，熔点高，原子自扩散系数 小。因此，纯的AlN粉末在通常的烧结温度下很难烧 结致密，而致密度不高的材料又很难具有较高的热导 率。除了致密度外，另一个影响AlN陶瓷热导率的因 素是杂质含量，尤其是氧含量。由于AlN对氧有强烈 的亲合力，部分氧会固溶入AlN的点阵中，从而形成铝 空位。产生的铝空位散射声子，降低了声子的平均自 由程，从而导致热导率下降［30-32］。因此，要制备高热导 率的氮化铝陶瓷，在烧结工艺中必须解决两个问题：第 一是降低烧结温度；第二是在高温烧结时，要尽量避免 氧原子溶入氮化铝的晶格中。通常采用的烧结方式是 引入烧结助剂、SPS烧结以及微波烧结AlN陶瓷。 目前，降低AlN陶瓷烧结温度的主要方法是添加 烧结助剂。烧结助剂为某些稀土金属、碱土金属和碱 金属等的化合物，如Y2O3、CaO、CaF2、 Li2O等。在烧结 体系引入烧结助剂后，一方面，它可与AlN粉末表面的 氧化铝反应，形成低熔物，产生液相，利用液相传质促 进烧结，提高材料的致密度；另一方面，烧结助剂与氧 杂质反应，在晶界以Y-Al2O3和Ca-Al2O3化合物的形 式析出，降低AlN晶格的氧含量，起到纯化晶格的作用，从而提高AlN烧结体的热导率。但是，随着烧结助 剂加入量的增加，使得晶界第二相含量增加，如果第二 相由孤立变为连续，AlN的热导率将会显著恶化［33］。 因此，烧结助剂的添加量应该有最佳值。但是，通常采 用添加复合助剂（微米级）实现烧结［34-35］的烧结温度相 对比较高，时间也较长。近年来，随着纳米材料的兴 起，其较强的小尺寸效应、表面效应使得晶粒的表面能 增加，烧结活性增强，从而可以显著地提高烧结速度， 使微观结构均匀一致，极大地改善了材料的性能。添 加普通烧结助剂，仅仅降低液相产生的温度。如果添 加剂采用纳米粉，因其比表面积增大，表面活性极高， 除降低液相温度外还可增大烧结驱动力，进一步促进 烧结［36-38］。添加纳米助剂促进氮化铝陶瓷的烧结是一 种新思路、新方法，同时还具有实用性。 放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering，SPS）是 一种新颖的具有独特技术优势的烧结技术，在促进 AlN烧结致密化和降低制备成本方面具有很大的发展 潜力。李淘［39］采用纯的AlN粉在1800℃下保温15 min得到致密度为97.5%的烧结体；而添加Y2O3或 Sm2O3可显著促进AlN的烧结，采用100℃/min的升温 速率，在1650~1700℃下保温5min均可得到接近理 论密度的试样，比同样烧结条件下的纯AlN提高了 10%以上。由此可见，SPS烧结和引入烧结助剂均有 利于AlN粉体的烧结。 微波烧结（MicrowaveSintering）是一种新型、高效 的烧结技术，具有传统烧结技术无可比拟的优越性。 ChengJiping［40］采用微波烧结技术在较高烧结温度 （1850℃）下制备得到AlN透明陶瓷。而卢斌［41］等人 采用微波烧结技术在较低温度（1700℃×2h）下获得 相对密度达99.7%的AlN透明陶瓷。AlN的低温烧结 是一个相对概念，指的是将AlN在低于1700℃的温度 下进行烧结［42］。因此，尽管不添加任何烧结助剂的微 波烧结法被认为是一条获得AlN透明陶瓷非常有前途 的低成本化技术途径，但是受微波烧结设备的限制，通 常很难获得较低的烧结温度，因此，有必要开展微波低 温烧结工艺制备AlN透明陶瓷的研究。 无压烧结（Pressurelesssingtering）是实现大规模 烧结最合适的技术，也是目前通用的烧结氮化铝基板 材料的方法。该技术采用无压烧结设备，在烧结过程 中充0.1MPa的氮气压力，在1750℃进行烧结。日本 的丸和公司采用无压烧结制备了尺寸128mm×128 mm×0.5mm的大尺寸氮化铝基板，广泛的应用于电动 车IGBT模块的封装材料。无压烧结中的关键问题是 如何保证氮化铝基板的平整度，保证烧结后少量的加 工余量。

氮化铝陶瓷由于具有优良的热、电、力学性能，氮化铝陶瓷引 起了国内外研究者的广泛关注。随着现代科学技术的 飞速发展，对所用材料的性能提出了更高的要求，氮化 铝陶瓷也必将在许多领域得到更为广泛的应用。