中國粉體網(wǎng)訊 隨著電子技術的迅猛發(fā)展，集成電路的散熱性問題逐漸得到重視。高純AlN單晶的熱導率最高可達到319W/(m·K)。其具有高熱導率、高溫絕緣性和優(yōu)良介電性能、良好耐腐蝕性、與半導體Si相匹配的膨脹性能等優(yōu)點。因此成為優(yōu)良的電子封裝散熱材料，能高效地散除大型集成電路的熱量，是組裝大型集成電路所必需的高性能陶瓷基片材料。
AlN的導熱機理
在氮化鋁一系列重要的性質中，最為顯著的是較高的熱導率。關于氮化鋁的導熱機理，國內(nèi)外已做了大量研究，并已形成了較為完善的理論體系。主要機理為：通過點陣或晶格振動，即借助晶格波或熱波進行熱傳遞。量子力學的研究結果表明，晶格波可以作為一種粒子−聲子的運動來處理。熱波同樣具有波粒二象性。載熱聲子通過結構基元(原子、離子或分子)間進行相互制約、相互協(xié)調(diào)的振動來實現(xiàn)熱的傳遞。其熱導率主要由晶體缺陷和聲子自身對聲子散射控制。
AlN的熱導率理論上可達320W/(m·K)，但是由AlN缺陷，導致產(chǎn)生鋁空位而散射聲子，使得實際產(chǎn)品的熱導率不到200W/(m·K)。AlN主要靠聲子傳熱，在熱傳輸過程中，晶體中的缺陷、晶界、氣孔、電子以及聲子本身都會產(chǎn)生聲子散射，從而影響AlN基板的熱導率。
燒結工藝
高導熱氮化鋁基片的燒結工藝重點包括燒結方式、燒結助劑的添加、燒結氣氛的控制等。
1、添加燒結助劑
對于陶瓷致密燒結，添加助燒劑無疑是最為經(jīng)濟、有效的方法。AlN陶瓷可選用的燒結助劑有CaO、Li2O、B2O3、Y2O3、CaF2、CaC2以及CeO2等。這些材料在燒結過程發(fā)揮著雙重作用，首先與表面的Al2O3結合生成液相鋁酸鹽，在粘性流動作用下，加速傳質，晶粒周圍被液相填充，原有的粉料相互接觸角度得以調(diào)整，填實或者排出部分氣孔，促進燒結。同時助燒劑可與氧反應，降低晶格氧含量。
2、燒結方式
目前AlN基片較常用的燒結工藝一般有5種，即熱壓燒結、無壓燒結、放電等離子燒結(SPS)、微波燒結和自蔓延燒結。
（1）熱壓燒結
熱壓燒結是在加熱粉體的同時進行加壓，利用通電產(chǎn)生的焦耳熱和加壓造成的塑性變形來促進燒結過程的進行。相對于無壓燒結來說，熱壓燒結的燒結溫度要低得多，而且燒結體致密，氣孔率低，但其加熱、冷卻所需時間較長，且只能制備形狀不太復雜的樣品。熱壓燒結是目前制備高熱導率致密化AlN陶瓷的主要工藝。
（2）無壓燒結
由于AlN具有很強的共價性，故其在常壓燒結時需要的燒結溫度很高。在常壓燒結條件下，添加了Y203的AlN粉能產(chǎn)生液相燒結的溫度為1600℃以上，且燒結溫度要受AlN粒度、添加劑種類及添加劑的含量等因素的影響。常壓燒結的燒結溫度一般為1600～2000℃，保溫時間為2h。
（3）放電等離子燒結(SPS)
放電等離子燒結是20世紀90年代發(fā)展并成熟的一種燒結技術，它利用脈沖大電流直接施加于模具和樣品上，產(chǎn)生體加熱使被燒結樣品快速升溫；同時，脈沖電流引起顆粒間的放電效應，可凈化顆粒表面，實現(xiàn)快速燒結，有效地抑制顆粒長大。使用SPS技術能夠在較低溫度下進行燒結，且升溫速度快，燒結時間短。
（4）微波燒結
微波燒結是利用特殊頻段的電磁波與介質的相互耦合產(chǎn)生介電損耗，使坯體整體加熱的燒結方法。微波同時提高了粉末顆粒活性，加速物質的傳遞。微波燒結也是一種快速燒結法，同樣可保證樣品安全衛(wèi)生無污染。雖然機理與放電等離子體燒結有所不同，但是兩者都能實現(xiàn)整體加熱，才能極大地縮短燒結周期，所得陶瓷晶體細小均勻。
（5）自蔓延燒結
在超高壓氮氣下利用自蔓延高溫合成反應直接制備AlN陶瓷致密材料。這種工藝不需要外加能源，合成迅速，而且可以制造形狀復雜的AlN陶瓷部件，缺點是高溫燃燒反應下原料中的Al易熔融而阻礙氮氣向毛坯內(nèi)部滲透，影響了反應轉化率，難以得到致密度高的AlN陶瓷。
3 、燒結氣氛
在AlN陶瓷的燒結工藝中，燒結氣氛的選擇也十分關鍵的。一般的AlN陶瓷燒結氣氛有3種：還原型氣氛、弱還原型氣氛和中性氣氛。還原性氣氛一般為CO，弱還原性氣氛一般為H2，中性氣氛一般為N2。在還原氣氛中，AlN陶瓷的燒結時間及保溫時間不宜過長，燒結溫度不宜過高，以免AlN被還原。在中性氣氛中不會出現(xiàn)上述情況。所以一般選擇在氮氣中燒結，這樣可以獲得性能更好的AlN陶瓷。
目前，國內(nèi)氮化鋁材料的研究制造水平相比國外還有不小差距，研究基本停留在各大科研院所高校、真正能夠獨立產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的機構極少。未來需把精力投入到幾種方法的綜合利用或新型陶瓷燒結技術研發(fā)上，減小生產(chǎn)成本，使得AlN陶瓷產(chǎn)品的種類豐富，外形尺寸結構多樣化、滿足多種領域應用的需求。
為促進氮化鋁陶瓷基板產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺將于2021年2月2日舉辦首屆“2021氮化鋁陶瓷粉體及基板技術網(wǎng)絡研討會”。為企業(yè)管理、技術人員提供一個深度交流、深入思考、磨煉內(nèi)功、強化自身的平臺。來自浙江工業(yè)大學的喬梁副教授將走進粉體公開課的直播間，給大家?guī)眍}為《氮化鋁陶瓷基板的燒結理論與實踐》的報告。屆時，喬梁副教授將簡要介紹氮化鋁陶瓷基板的制備工藝流程，然后從氮化鋁陶瓷的導熱機制、燒結機理與燒結實踐等方面詳細介紹高熱導率氮化鋁陶瓷基板燒結中的工藝控制原理。
喬梁，博士，副教授，浙江工業(yè)大學材料科學與工程學院、浙江工業(yè)大學磁電功能材料研究所教師。長期從事先進陶瓷材料的磁、電、熱性能以及制備技術研究，研究領域有燃燒合成氮化鋁/鍶鐵氧體陶瓷粉體、碳熱還原合成氮化鋁陶瓷粉體、氧化鋁/氮化鋁陶瓷基板產(chǎn)業(yè)化、氮化鋁陶瓷低溫燒結、氧化鋯/鐵氧體陶瓷注射成型、功能復合材料等。發(fā)表SCI、EI論文三十余篇，獲得授權專利二十余項。
參考來源：
[1]王超等.AlN陶瓷基板材料的典型性能及其制備技術
[2]李友芬等.AIN陶瓷燒結技術研究進展
[3]袁文杰等.高熱導率氮化鋁陶瓷的研究進展
[4]張云等.高導熱氮化鋁陶瓷燒結技術研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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