當今，毫無疑問是屬于信息技術的時代。微電子工業的迅猛發展，使氮化鋁(AlN)陶瓷在超大規模集成電路制作中一時風光無限，作為高導熱性陶瓷基板以及封裝材料倍受注目。

氮化鋁的優勢自不必多說，它的導熱率是當前使用最廣的氧化鋁陶瓷的7倍之多，同時介電常數低，具有與氧化鋁匹敵的優良電性，熱膨脹率與硅相近，比強度高、密度低及無毒。因此用上氮化鋁陶瓷的電子元件運行起來那個“輕快”，著實是讓人十分羨慕。但有得必有失，目前氮化鋁基板面臨的較大困局，就是較高的成本在一定程度上影響了其應用上的推廣。

氮化鋁基板（圖片來源：MARUWA）

那這些成本來自于哪里呢？前面提到了AlN的導熱性能十分突出[理論上可達320w/(m·k)]，但由于AlN陶瓷中有雜質和缺陷，導致產品的熱導率遠達不到理論值。因此為了盡可能接近理論熱導率，凸顯出AlN本身的優勢，廠商在基板的制備上必須要處處把關，避免出現明顯的性能短板。各個工序的精益求精，“成本高”這個結果自然也是順理成章，具體的可看下方分析。

AlN粉體的制備

首先是原料。AlN粉末作為制備最終陶瓷成品的原料，其純度、粒度、氧含量以及其它雜質的含量都對后續成品的熱導性能、后續燒結，成形工藝有重要影響，是最終成品性能優異與否的基石。

AlN粉末

AlN粉體的合成方法有以下幾種：

①直接氮化法：在高溫氮氣氛圍中，鋁粉直接與氮氣化合生產氮化鋁粉末，反應溫度一般在800℃~1200℃。

②碳熱還原法：將Al₂O₃粉末和碳粉的混合粉末在高溫下（1400℃~1800℃）的流動氮氣中發生還原氮化反應生成AlN粉末。

③自蔓延高溫合成法：該方法為鋁粉的直接氮化，充分利用了鋁粉直接氮化為強放熱反應的特點，將鋁粉于氮氣中點然后，利用鋁和氮氣之間的高化學反應熱使反應自行維持下去，合成AlN。

④化學氣相沉積法：利用鋁的揮發性化合物與氮氣或氨氣反應，從氣相中沉淀析出氮化鋁粉末；根據選擇鋁源的不同，分為無機物（鹵化鋁）和有機物（烷基鋁）化學氣相沉積法。

很明顯，純度高、粒度細以及粒度分布窄的AIN粉末所需的工藝，要不成本高，要不制備工藝復雜，生產效率低，又或者設備要求條件高，這一系列困難帶來的后果就是高品質氮化鋁粉體價格的走高。

AlN的成型

AlN粉末的成型工藝有很多種，傳統的成型工藝諸如模壓、熱壓、等靜壓等均適用。其中，熱壓、等靜壓雖然適用于制備高性能的塊體氮化鋁瓷材料，但成本高、生產效率低，無法滿足電子工業對氮化鋁陶瓷基片用量日益增加的需求。為了解決這一問題，近年來人們采用流延法成型氮化鋁陶瓷基片。流延法也已成為電子工業用氮化鋁陶瓷基本的主要成型工藝。

另外，由于AlN粉末的親水性強，為了減少氮化鋁的氧化，要不就是成型過程中應盡量避免與水接觸，也就是說氮化鋁陶瓷坯片需要使用有機料漿制備，但由于所采用的有機溶劑有很強的揮發性，因此會對環境和人體造成不良影響，存在環境污染問題；要不改善AlN粉末的表面抗水解性能，如借助疏水性和親水性有機物等在AlN表面形成涂層包裹，或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等等。

AlN粉末水解前后的TEM顯微圖

AlN的燒結

氮化鋁的燒結工藝比較苛刻，燒結或熱壓燒結溫度往往高達1800℃以上，既要達到致密燒結、降低雜質含量、減少晶界相的含量，又要簡化工藝、降低成本，在AlN陶瓷的燒結過程中關鍵要做到：一是選擇適當的燒結工藝及氣氛；二是選擇適當的燒結助劑。

1.燒結工藝

氮化鋁自擴散系數小，燒結非常困難。AlN基片較常用的燒結工藝一般以下有5種。

①熱壓燒結：即在一定壓力下燒結陶瓷，可以使加熱燒結和加壓成型同時進行，可得到晶粒細小、相對密度高和力學性能良好的陶瓷。

②無壓燒結：燒結工藝簡單，常壓燒結氮化鋁陶瓷一般溫度范圍為1600-2000℃，適當升高燒結溫度和延長保溫時間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度，但強度相對較低。

③微波燒結：微波燒結也是一種快速燒結法，利用微波與介質的相互作用產生介電損耗而使坯體整體加熱的燒結方法。

④放電等離子燒結：融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術，具有燒結速度快，晶粒尺寸均勻等特點，但是設備費用高，加工工件尺寸受限制。

⑤自蔓延燒結：即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。但由于高溫燃燒反應下原料中的Al易熔融而阻礙氮氣向毛坯內部滲透，難以得到致密度高的AlN陶瓷。

以上五種燒結工藝中，熱壓燒結是目前制備高熱導率致密化AlN陶瓷的主要工藝。但是它的工藝較復雜，對設備要求高，生產效率較低，因此成本自然也就走高了。

2.燒結氣氛

目前，AlN陶瓷燒結氣氛有三種：中性氣氛、還原型氣氛和弱還原型氣氛。中性氣氛采用常用的N₂、還原性氣氛采用CO，弱還原性氣氛則使用H₂。

在還原氣氛中，AlN陶瓷的燒結時間及保溫時間不宜過長，且其燒結溫度不能過高，以免AlN被還原。而在中性氣氛中不會出現上述情況，因此一般選擇在氮氣中燒結，以此獲得性能更高的AlN陶瓷。

3.燒結助劑的添加

在氮化鋁陶瓷基板燒結過程中，除了工藝和氣氛影響著產品的性能外，燒結助劑的選擇也尤為重要。

AlN燒結助劑一般是堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物，燒結助劑主要有兩方面的作用：一方面形成低熔點物相，實現液相燒結，降低燒結溫度，促進坯體致密化；另一方面，高熱導率是AlN基板的重要性能，而實現AlN基板中由于存在氧雜質等各種缺陷，熱導率低于及理論值，加入燒結助劑可以與氧反應，使晶格完整化，進而提高熱導率。

燒結AlN陶瓷使用的燒結助劑主要有Y₂O₃、CaO、Yb₂O₃、Sm₂O₃、Li₂O₃、B₂O₃、CaF₂、YF₃、CaC₂等或它們的混合物。選擇多元復合燒結助劑，往往能獲得比單一燒結助劑更好的燒結效果，實現AlN低溫燒結，減少能耗，便于進行連續生產。而為了找到合適的低溫燒結助劑，廠商們往往需要投入大量的時間和精力進行研發，因此這部分也會體現在AlN基板的價格上噢。

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