如何提高氮化鋁(AlN)陶瓷基板的導熱率？

氮化鋁(AlN)單晶的理論導熱率高達320W/(m·K)，然而，市面上常見的AlN陶瓷基板的熱導率卻僅徘徊在150-180W/(m·K)之間，遠低于其理論極限。這一現(xiàn)狀意味著，AlN陶瓷基板的導熱性能仍有巨大的提升空間。隨著功率電子器件封裝與互聯(lián)技術(shù)的飛速發(fā)展，提高AlN陶瓷基板的熱導率已成為行業(yè)內(nèi)的迫切需求。本文將深入探討如何通過優(yōu)化制備工藝來有效提升其熱導率。

目前，AlN陶瓷基板的生產(chǎn)流程主要包括流延法成型、常壓燒結(jié)及熱處理等環(huán)節(jié)。眾多研究與實踐經(jīng)驗表明，選擇合適的原材料、恰當?shù)闹苽涔に嚥?yōu)化相關(guān)參數(shù)，能夠顯著克服影響AlN陶瓷熱導率的諸多不利因素，從而在大幅提升其熱導率的同時，也增強陶瓷的強度。

1.選用高純超細氮化鋁AlN粉體

氮化鋁AlN漿料的流延成型效果與AlN粉末的形狀及粒徑分布息息相關(guān)。理想的AlN粉末顆粒應(yīng)具備高球形度，且粒徑分布呈現(xiàn)狹窄的單峰正態(tài)分布。

AlN粉末的粒度、比表面積及雜質(zhì)元素含量（尤其是氧雜質(zhì)）對制備高導熱AlN陶瓷至關(guān)重要。采用高品質(zhì)AlN粉末并精心挑選燒結(jié)助劑，可有效降低AlN陶瓷中的氧雜質(zhì)含量，進而提升其熱導率。同時，AlN粉末的比表面積與粒度分布對其燒結(jié)行為及性能有著顯著影響。粒徑較小、比表面積較大的AlN粉末展現(xiàn)出更高的燒結(jié)活性。AlN粉末粒度越均勻，AlN陶瓷的燒結(jié)均勻性就越好，晶粒尺寸分布也更為一致。另外，氮化鋁易水解，因此在選取原材料時，可以選用具有耐水解性能的氮化鋁，例如金戈新材推出的耐水解氮化鋁產(chǎn)品，是提升AlN陶瓷基板性能的優(yōu)選材料。

2.選擇合適的燒結(jié)助劑

氮化鋁AlN作為強共價鍵化合物，具有較小的原子自擴散系數(shù)和較高的晶界能，導致其陶瓷燒結(jié)活性較低。因此，常需添加堿土金屬化合物和稀土鑭系化合物（如Y₂O₃、CaO、CaF₂、Li₂O等）作為燒結(jié)助劑，以促進AlN陶瓷的致密化燒結(jié)。

燒結(jié)助劑的作用主要體現(xiàn)在：（1）在高溫下與AlN粉末表面的Al₂O₃反應(yīng)，形成多元氧化物熔體，促進液相燒結(jié)；在燒結(jié)后的冷卻過程中，該熔體完全或部分晶化，沿AlN晶界分布；（2）促進AlN晶格內(nèi)的雜質(zhì)氧原子向晶界擴散，降低AlN晶格氧含量，減少晶格缺陷對聲子的散射，從而提高AlN陶瓷的熱導率。

3.在N₂保護下排膠

氮氣保護下的排膠處理是氮化鋁AlN生坯制備的標準流程。將AlN粉末經(jīng)過混合、漿料流延、疊層和等靜壓壓制后制成特定尺寸的生坯。為去除黏結(jié)劑，必須進行排膠處理。由于AlN粉末易于水解和氧化，因此通常使用高純度氮氣作為排膠氣氛，以防止AlN生坯氧化。在此過程中，排膠片會留下一定量的碳殘留

碳的加入加速了AlN陶瓷中AlN晶粒的生長速度，并延緩了陶瓷的致密化過程。研究表明，AlN生坯中殘留的碳能有效還原晶界氧化物，降低AlN陶瓷中的氧雜質(zhì)含量，從而提升其熱導率。有研究表明，在AlN生坯中添加0.5%的碳可提升其熱導率，但添加量超過1%時，燒結(jié)AlN陶瓷的密度會降低，熱導率也會顯著下降。

4.高溫燒結(jié)

高溫燒結(jié)結(jié)合高溫熱處理等工藝優(yōu)化是提升AlN陶瓷性能的關(guān)鍵。AlN陶瓷的燒結(jié)致密化通常采用氣氛保護下的常壓燒結(jié)工藝，關(guān)鍵參數(shù)包括燒結(jié)氣氛、氣氛流量、燒結(jié)溫度、保溫時間及升降溫速率等。為防止AlN陶瓷在燒結(jié)過程中氧化，常選用非氧化性保護氣氛，如強還原性氣氛（CO）、還原性氣氛（H₂）或中性氣氛（N₂）。在工業(yè)上，AlN陶瓷通常在高流動性的N₂氣氛中進行燒結(jié)。

在AlN陶瓷的燒結(jié)過程中，緩慢升溫有助于充分排除黏結(jié)劑，提升AlN陶瓷的致密度，進而增強其性能。在燒結(jié)后的冷卻過程中，適度的緩慢冷卻有助于熔體在AlN三叉晶界處收縮，促進非晶層晶化，從而提高AlN陶瓷的熱導率和強度等性能。

5.熱處理工藝

燒結(jié)后的AlN陶瓷還需進行等溫退火的熱處理。這通常在高純N₂氣氛保護下進行，在不低于AlN陶瓷燒結(jié)溫度的條件下長時間保溫，以促進AlN陶瓷中的晶界相重新熔融并向陶瓷表面遷移，進一步減少晶界相含量，優(yōu)化AlN陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)，提升其熱導率。

至今，如何提高AlN陶瓷基板的熱導率仍是業(yè)界關(guān)注的焦點。隨著市場對高導熱AlN陶瓷基板需求的持續(xù)增長，未來材料研發(fā)將不斷加大對這一領(lǐng)域的投入，以推動相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

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