AlN陶瓷作為新型材料，具有眾多優異的性能：如優異的熱導率、較低的介電損耗和介電常數以及可靠的電絕緣性能，同時具有與Si相接近的熱膨脹系數等一些列優異的特性，被認為是高集成度半導體基片和電子器件封裝的理想材料。因此關于AlN功能陶瓷材料的研究受到了廣泛關注。AlN是Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物，其晶體是以[AlN₄]四面體為結構單位的共價鍵化合物，晶體結構如下圖所示。25℃時晶格常數α₀ = 3.1172，c₀=4.9816，屬六方晶系。

圖 AlN晶體結構

對于AlN陶瓷材料而言，原始AlN粉末的技術指標，如粒徑、純度以及顆粒形貌等因素直接影響AlN陶瓷材料的綜合性能。為了制備出高品質的AlN陶瓷材料，必須制備出純度高、顆粒細小且均勻的氮化鋁粉末。本文主要對氮化鋁粉體的制備工藝進行總結和歸納，氮化鋁粉末的常見制備方法主要有：鋁粉直接氮化法、碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和溶膠凝膠法等。

1.AlN粉體制備方法

1.1 鋁粉直接氮化法

鋁粉直接氮化法就是在持續的流動N₂（或NH₃）氣氛條件下（或密閉的氮氣氣氛容器內），鋁粉與N₂（或NH₃）在較高溫度下直接發生化學反應生成AlN粉末團塊或粉末顆粒。該反應溫度一般控制在800~1200℃。該方法是最早用來制備AlN粉體的方法，該方法所需原料豐富，工藝簡單，目前已用于大規模生產。鋁粉直接氮化法涉及的化學反應為：

Al(s)+N₂(g)→AlN(s)

優點：成本低廉，設備成本低且制備工藝簡單；

缺點：反應初期鋁粉表面被氮化生成氮化鋁層，進而阻止了N₂或NH₃進一步向鋁粉顆粒中心擴散，導致制備的氮化鋁產率較低；鋁粉與N₂或NH₃反應會釋放大量熱量，釋放的熱量導致生成的氮化鋁粉體出現自燒結而形成團聚體，最終導致粉體顆粒粗化。

目前的直接氮化法的研究熱點主要集中于：如何提高氮化速率、產物氮含量以及消除產物團聚等方面。為了提高反應速率和鍋粉的轉化率目前所做的改進主要集中于兩個方面：一方面對傳統直接氮化法的設備和工藝進行改進；另一方面在原材料鍋粉中加入各類添加劑促進培粉的轉化率和減少產物團聚。

1.2 碳熱還原法

碳熱還原法是將一定量的Al₂O₃粉末和過量C粉的混合粉末（或通過各種制備方法制備的前驅體粉末）在一定溫度下（1200~2000℃）的流動N₂氣氛條件下進行氮化還原反應制備AlN粉末。該制備方法涉及的化學反應方程式為：

Al₂O₃(s)+3C(s)+N₂(g)→2AlN(s)+3CO(g)

從該化學式可以看出：碳熱還原法中Al₂O₃/C的摩爾比要求為3，實際操作中為了加快反應速率、提高氮化鋁的轉化率以及獲得顆粒均勻和粒徑適中的粉體，會加入過量的碳粉，因此合成反應完成后因對粉體進行除碳處理以提高所制備的氮化鋁純度。此外，反應的另一影響因素是原料球磨混合的均勻程度，所使用的原料能均勻分散與充分混合時，可有效降低碳粉的用量，減少二次除碳工藝所需的時間，降低制造成本。

優點：原料豐富工藝過程簡單等特點，合成的粉體純度高粒徑小且分布均勻；

缺點：合成時間較長氮化溫度較高，而且反應后還需對過量的碳進行除碳處理，導致生產成本較高。

目前，碳熱還原法的研究熱點主要集中在：

（1）尋找合適的碳源，從而減少碳粉的使用量，避免除碳處理；

（2）通過多種方法制備合適的前驅體粉末，從而降低反應的活化能和反應溫度。

1.3 自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法合成氮化鋁，是指用外加熱源點燃反應物，利用鋁粉氮化過程中放出的高化學反應熱自加熱自傳導合成氮化鋁材料的一種方法，又稱燃燒合成法。該法的實質就是鋁粉的直接氮化，只是不需要將鋁粉加熱至1000℃以上長時間氮化，只需將鋁粉于氮氣中點燃。自蔓延高溫合成法制備AlN粉體涉及的化學反應方程為：

2Al(s)+N₂(g)+X→2AlN(s)

自蔓延高溫合成法一般需要加入一定量的合成產物作為稀釋劑來降低反應溫度，控制反應速度，減少產物團聚現象。在鋁粉中混入一定量的氮化鋁粉末后，可以有效減少合成產物的團聚，提高合成產物的氮含量。

優點：該工藝反應速度很快，不需要外部加熱，成本低廉，適應于大批量工業化生產；

缺點：高溫自蔓延中升溫和冷卻的速度極快，易于形成高濃度缺陷和非平衡結構，粉末的晶形呈不規則狀，粒徑分布不均勻。

自蔓延高溫法制備氮化鋁粉末由于反應速度極快，反應產物極易結塊，合成產物一般為塊體或粉狀團塊。因此，需要對合成產物進行球磨處理，從而得到粒徑分布均勻、粒度細小的AlN粉末。

1.4 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是指金屬有機化合物或無機化合物經過溶液，溶膠，凝膠而固化，再通過焙燒而形成氧化物或其他產物的方法。這種方法就避免了顆粒的過度生長以及在液相中的團聚，因此獲得的粉體粒度分布窄，呈納米級微粒。

溶膠凝膠法最早由美國人Interrente等人提出該方法使用溶膠凝膠工藝，將使三院基鋁鹽和氨溶于有機溶劑中進行反應，從而生成院基鋁酷胺中間體，再將其從有機溶劑中分離出來，最后在一定溫度下進行加熱烘干處理，使其轉變為純度較高的氮化鋁。溶膠凝膠法制備AlN粉體涉及的化學反應方程為：

R₃Al+NH₃→AlNH₃→(R₂AlNH₂)₂→(RAlNH)_x→AlN

優點：制備工藝簡單，氮化溫度低，AlN轉化率高，純度高且無雜相；

缺點：不宜大批量生產。

2.AlN陶瓷材料應用

2.1基板材料和電子封裝材料

目前，封裝基板材料主要采用氧化鋁陶瓷或高分子材料，但隨著電子產品的小型化，使集成電路(IC)和電子系統在半導體工業上也朝向高集成密度以及高功能化的方向發展。因此，如今對于電子零件的承載基板要求越來越嚴格，其中，高熱導率更加成為電路高度集成化和小型化的突破口，氧化鋁陶瓷基板也越來越難以滿足發展要求。由于Al N具有良好的物理和化學性能逐步成了封裝材料的首要選擇。圖2為高功率應用的氮化鋁陶瓷基板和封裝。

圖2高功率應用的氮化鋁陶瓷基板和封裝

2.2耐熱沖和熱交換材料

氮化鋁陶瓷室溫比較強度高，且不易受溫度變化影響，同時具有比較高的熱導系數和比較低的熱膨脹系數，是一種優良的耐熱沖材料及熱交換材料，作為熱交換材料，可望應用于燃氣輪機的熱交換器上。

2.3耐熱材料

由于氮化鋁具有與鋁、鈣等金屬不潤濕等特性，所以可以用其作坩堝、保護管、澆注模具等。將氮化鋁陶瓷作為金屬熔池可以用在浸入式熱電偶保護管中，由于它不粘附熔融金屬，在800~1000℃的熔池中可以連續使用大約3000個小時以上并且不會被侵蝕破壞。此外，由于氮化鋁材料對熔鹽砷化鎵等材料性能穩定，那么將坩堝替代玻璃進行砷化鎵半導體的合成，能夠完全消除硅的污染而得到高純度的砷化鎵。

2.4微波衰減材料

微波衰減的研究應用已經逐漸從軍事方面向人們的日常生活方面滲透，如人體安全防護，雷達探測和波導或同軸吸收元件。它的本質就是在介質內部，通過極化這種物理機制將微波能量轉化為熱能并經由材料本身將熱能交換到外界環境中去，被越來越多的應用到大功率微波電真空器件中。

AlN的介電損耗值較低，為了使之適合作為微波衰減材料，通常添加導電性和導熱性都良好的金屬或者陶瓷作為微波衰減劑制備成Al N 基的微波衰減陶瓷。目前研究中所涉及到的導電添加劑有碳納米管、TiB₂、TiC以及金屬Mo、W、Cu等。

總之，Al N材料在電子領域和電力、機車、航空和航天、國防和軍工、通訊

以及眾多工業領域都具有廣闊的應用前景和廣泛的潛在市場。

3.總結

氮化鋁陶瓷粉體材料具有一系列優良理化性能，有著廣闊的發展前景。氮化鋁粉體最基本的制備方法是鋁粉直接氮化法和Al2O3碳熱還原法，其制備技術已經比較成熟，并廣泛應用于工業化生產。其他制備方法如高溫自蔓延都是這兩種最基本方法的外延，因此必須完善AlN粉體的制備方法，通過工藝創新或原材料控制，最終達到高品質AlN粉體的低成本制備。

但AlN對其電阻率、光學性能以及高頻介電性能的研究還很少。若能調控AlN陶瓷的電阻率并降低電阻率，將大大降低陶瓷基板的制備成本，有望代替單晶Si用于制作半導體器件；同時AlN陶瓷的高頻介電性能研究有利于推動該材料在高頻高溫器件方面的應用。若AlN陶瓷材料的研究向燒結溫度低、熱導率高、力學性能好、生產成本低等方面，將加加快AlN材料在電子領域和電力、機車、航空和航天、國防和軍工、通訊以及眾多工業領域的都具有廣闊的應用前景和廣泛的潛在市場。

作者：小龍

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