隨著電子工業的發展，氮化鋁(AlN)陶瓷作為眾望所歸的理想半導體基片材料和電子器件封裝材料而備受矚目，它不僅導熱性能好，線膨脹系數與硅接近，體積電阻率高，介電常數和介電損耗小，而且無毒，耐高溫和腐蝕，力學性能良好，綜合性能遠優于Al₂O₃和BeO，因此應用前景十分廣闊。

不過AlN陶瓷雖性能優良，但要把優勢發揮出來，制備環節就不能掉鏈子。比如說制備AIN陶瓷的原料AlN粉末，它的性質對AIN陶瓷的制備工藝以及陶瓷性能有直接影響。要獲得性能優良的AIN陶瓷材料，必須制備出純度高、粒度細以及粒度分布窄的AIN粉末。所以近年來許多學者通過不斷地改進氮化鋁的制備方法，以求制得納米氮化鋁粉末，目前常用的合成方法有鋁粉直接氮化法、碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、化學氣相沉積法等。

不過即使制備出了純度高、粒度細以及粒度分布窄的原料，也不代表就可以放心了。AlN粉體有一個很致命的缺陷，那就是易發生潮解——AlN粉體的表面極為活潑，會與空氣中的水蒸氣發生水解反應，生成Al(OH)₃或者AlOOH，反應方程式如下。

而且由于水解反應生成的產物疏松，不能阻止粉末進一步與水汽發生反應，會造成粉末氧含量的增加甚至變質，因此對于儲存、運輸及陶瓷制作環境要求較高，需存儲于干燥密閉環境中，如有疏漏最終結果就是制品的熱導率大幅度降低。

查看AlN粉體水解程度的方法：

①由于AlN粉末水解后會產生氨氣，氨氣在水中會電離出NH₄⁺和OH^-，溶液中的pH值會發生變化，因此pH值是表征AlN水解程度的一個重要指標；

②用XRD可進行AlN水解前后的物相分析，用于定性判斷水解后是否有新物相產生、判斷水解的產物、判斷水解的程度；

③用SEM可以觀察水解前后AN粉末顆粒的形貌，根據形貌的變化可以定性的判斷水解的程度；

④用TEM除了可以用于形貌分析外還可以分析產物等的晶體結構。

AlN粉末水解前后的TEM顯微圖

不過即使AlN粉體完好無損，依舊干干爽爽，但在氮化鋁陶瓷的制備過程中需要進行濕法研磨加入燒結助劑及粘結劑，分散劑等。濕法研磨中常用的研磨溶液介質為乙醇，乙醇中也會含有部分水分，后續制程不可避免地會暴露于空氣中，導致AlN發生水解反應。因此為了保證AlN陶瓷的質量，最可靠的就是提高粉體抗水解能力。

提高AlN粉體抗水解能力的方法

當前AlN塊材和片材的工業制備多半采用流延成型、注漿成型和注射成型等工藝。這些工業都不可避免地要涉及各種水基漿料或水溶性粘結劑（水基漿料和水溶性粘結劑往往具有更好的環境兼容性）。如果氮化鋁粉末抗水性得以改善，將使得制備過程大為簡化，并使水系澆注成型、水系噴霧干燥等成為可能，制造成本將大幅度降低，所以急需改善AlN粉末的表面抗水解性能。人們試圖通過表面改性來提高它的抗水化性，其有效途徑有：

1.借助疏水性和親水性有機物等在AlN表面形成涂層包裹

單慧波等采用油酸與羥基喹啉包，覆氮化鋁粉末，能在40℃水中穩定72小時以上，但溫度提高時，其穩定性變差，在60℃時發生水解反應，其分析原因為油酸僅為物理吸附，在溫度提高情況下，酸溶解于水中，使得表面保護層破壞，AlN與水發生水解反應。

徐征宙等采用KH550硅烷偶聯劑對比表面積為3.1m2/g的氮化鋁粉末進行了表面抗水化處理，進行了硅烷處理后進行煅燒處理與未煅燒欠理對氛化鋁粉末抗水化性能的影響，發現為煅燒處理樣品在放入水中后，pH值快速升高，粉末發生水解，而硅烷包覆后再進行煅燒處理的樣品表現出良好的抗水化性能，原因為硅烷在加熱后發生分解反應，在粉體表面形成致密的硅的氧化物，從而阻止水化的進行。

2.在一定的氧分壓氣氛中熱處理AN粉末，在其表面形成致密的氧化鋁層

大多數改性方法是通過多元醇和有機物的表面包覆或是原位聚合來實現表面改性目的。熱處理法則是通過對AN粉末進行熱處理，使其表面發生氧化生成致密的Al₂O₃，保護膜，從而產生抗水解性。為了得到分散均勻、潤濕性好、穩定性和懸浮性好的坯料（尤其是在澆注成型中），必須在其中添加相應的表面活性劑才能得以實現。另外這些改性方法工藝較復雜，成本也較高，不利干工，業化生產。

李亞偉等研究了在空氣中700～1050℃范圍內熱處理工藝對氮化鋁抗水化性能的景響。在空寫中700~1050℃流圍內執外理AIN，發現AIN700℃開始氧化隨溫度升高進一步被氧化，到1050℃時，AlN被完全氧化。AlN在空氣中的氧化行為包括：（1）AlN被氧化成的θ-Al₂O₃；（2）進一步發生晶型轉變形成α-Al₂O₃。經熱處理的AN的抗水化性能與周圍環境溫度有關。隨水溫升高，抗水性能降低，700-850℃處理的AlN粉末有一定的抗水化性能。

3.用無機酸進行酸洗，使其表面形成無機鹽的保護層

Oliveira M.等利用H₃PO₄與陰離子表面活性劑對AlN表面進行處理，發現它不僅能夠使AlN抗水解并且還能加強粉末的分散性。AlIN懸浮液的pH值隨時間的變化關系和AlN在水中的穩定性取決于所用的酸。研究發現經磷酸處理后的 AlN能夠有效地提高其抗水解性能主要是因為在粉末表面形成了一個磷酸鹽保護層，只是僅應用陰離子表面活性劑吸附在AN表面并不能很好的抑制其水解但是可以加強粉末的分散性，所以將兩者結合起來應用不僅可以使其抗水解性能提高，并且粉末也能很好的分散從而降低了其粘結性。

總結

提高AlN粉末的抗水解能力對AlN產業的發展有著重要的實用意義，如此一來它不僅用于水基流延成型制備氮化鋁基板，而且也可用于導熱塑料的填料——在半導體大功率和小型化趨勢下，散熱需求成為重點研究方向，若氮化鋁填料同時具有優異的耐濕性和高導熱性，那就能它在注入樹脂后能完整發揮其在導熱上的優勢。

目前在抗水解AlN粉體這一塊，部分廠商已經推出了商業化產品，如去年7月14日昭和電工（SDK）就宣布要開始供應半導體器件用耐潮導熱氮化鋁填料樣品——據評測結果顯示，相比未經改性的氮化鋁粉體，經過表面處理后粉體水解釋放的氨氣大幅減少，降至萬分之一。

（來源：SDK）

抗水解性于AlN的必要性想必不用多說了，其相關研究絕對是AlN產業發展的重中之重。若您想對該領域做進一步的了解，歡迎來到即將于9月14-15日在廣州舉辦的“2021年全國氮化物粉體與陶瓷創新發展論壇”上與更多專家學者進行交流噢！

資料來源：

AlN粉末的水解行為及抗水解性能研究，徐林煒

氮化鋁粉末制備及注射成型研究，魯慧峰。

氮化鋁粉末的水解行為研究，徐林煒，劉盟，胡黨平，張宇，洪建明，唐建成。

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