氮化鋁陶瓷具有優異的導熱性能，熱膨脹系數接近硅且無毒，被視為新一代電子封裝材料，非常適用于混合功率開關的封裝以及微波真空管封裝殼體材料，同時也是大規模集成電路基片的理想的材料，這也是AIN陶瓷的主要用途。

一塊高導熱氮化鋁陶瓷基片的制備工藝主要由：氮化鋁粉體制備、成型工藝和燒結工藝這三個方面有關，下文將對這三個方面的發展概況及關鍵技術進行簡單的介紹。

氮化鋁陶瓷基板：適用于大功率LED封裝散熱基板、

IGBT功率模塊以用薄膜印刷電路(備注：圖片來源于潮州三環官網)

一、粉體制備

氮化鋁陶瓷的優良性能與原材料粉體的性能有著直接的關系，高性能AIN粉體是制備高熱導率AIN陶瓷的關鍵。制備AIN粉體的方法有很多種（見下表1），也都存在各自的不足，但他們都有一個共同點就是成本較高。

表1 AIN粉體的典型制備方法及特點

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綜合來看，氧化鋁粉碳熱還原法和鋁粉直接氮化法比較成熟，已經用于工業化大規模生產，成為當前高性能AIN陶瓷原料的主流制備工藝。目前掌握高性能AIN粉生產技術的廠家并不多，主要分布在日本、德國和美國。

這其中日本德山曹達公司采用的氧化鋁粉碳熱還原法生產的AIN粉被全球公認為質量最好，性能最穩定，基本占據了高端AIN粉市場。日本東芝，京瓷公司，住友電子等大部分基板和封裝都在使用該AIN粉。此外，美國DOW化學公司也掌握了氧化鋁粉碳熱還原法生產AIN粉技術。日本東洋鋁公司則采用成本相對較低的鋁粉直接氮化法生產AIN粉，性能也挺好，熱導率也能穩定在170W/m?K以上。優質的AIN粉及品質一般的氮化鋁粉的區別見下表分析。

表2 高品質氮化鋁及普通品質氮化鋁粉體性能對比

二、成型工藝

傳統的成型工藝如干壓、等靜壓成型等方法雖然適用于高性能 AlN塊體材料的制備，但成本高、效率低，難以用于規模化生產。為突破AlN陶瓷傳統成型方法的局限性，新型成型工藝如流延、注凝、注射成型應運而生，后兩者主要適用于復雜形狀的零件。

目前，流延成型是AlN陶瓷基片的主要成型方法。

1、流延成型工藝

流延成型法也稱括刀成型法，目前已成為高導熱AlN陶瓷基片的主要成型工藝，AlN漿體內各添加劑如溶劑、分散劑、黏結劑和增塑劑的加入是改善其流動性、提高力學性能，從而制備高性能AlN陶瓷基片的重要因素之一。

流延成型工藝流程方框圖

流延成型有2種體系，即有機流延體系和水機流延體系。較后者而言，有機流延體系研究較早應用更為普遍，具有溶劑選擇范圍廣、干燥時間短、防止粉體水化等特點，但其常用的醇、酮、苯等有機溶劑具有一定的毒性，破壞環境，成本較高。近年來，水基流延成型工藝得到了廣泛關注，但成坯質量低、干燥易開裂等問題一直制約著其發展進程。但無論哪種體系，漿料的流變性能無疑是AlN陶瓷成型工藝最為關鍵的因素之一。

從操作成本及可持續發展角度看，水基流延體系更勝一籌，但AlN粉末的易水解性嚴重阻礙了AlN陶瓷水基流延成型工藝的發展，因此人們會通過表面改性工藝來提高AlN粉末的抗水解能力和穩定性，詳細內容此處不再展開。感興趣可以點開下文鏈接詳讀。

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2、流延等靜壓復合成型工藝

采用傳統流延成型工藝所制備出的漿料固相體積含量較低，加上干燥階段中部分有機溶劑的揮發，極易導致素坯中孔隙率的增加從而使坯體結構疏松化，弱化后期燒結效果，難以制備出高致密度、高導熱AlN基片。

流延等靜壓復合成型工藝是基于非水基和水基流延成型的一種新型陶瓷基片成型工藝，既保留了流延成型素坯的延展性，又在此基礎上采用等靜壓二次成型，彌補了前一成型過程留下的致密度低、結構松散等缺陷。

三、燒結工藝

1、燒結方法

AlN陶瓷基片一般采用無壓燒結(常壓燒結)，該燒結方法是一種最普通的燒結，雖然工藝簡單、成本較低、可制備復雜器件，但燒結溫度一般偏高，在不添加燒結助劑的情況下，一般無法制備高性能AlN陶瓷基片。（助劑相關見下文解析。近年來，出現了一些新型燒結方式，如微波燒結、放電等離子燒結等。

a 微波燒結

傳統燒結方式一般通過外部熱源對AlN坯體進行加熱，熱傳導不均且速度較慢，將影響燒結質量。微波燒結通過坯體吸收微波能量從而進行自身加熱，加熱過程是在整個材料內部同時進行，升溫速度快，溫度分散均勻，防止AlN 陶瓷晶粒的過度生長。這種快速燒結技術能充分發揮亞微米級和納米級粉末的性能，具有很強的發展前景。

例子：研究人員采用該燒結方法對加有質量分數3%Y₂O₃的AlN粉體進行燒結，在燒結溫度較低的情況下制備出了接近理論密度的AlN陶瓷材料，熱導率達160～225W/( m·K)。

b 放電等離子燒結

放電等離子燒結技術主要利用放電脈沖壓力、脈沖能和焦耳熱產生瞬間高溫場實現快速燒結。放電等離子燒結技術的主要特點是升溫速度快，燒結時間短，燒結溫度低，可實現AlN 陶瓷的快速低溫燒結。通過該燒結方法，燒結體的各個顆粒可類似于微波燒結那樣均勻地自身發熱以活化顆粒表面，可在短時間內得到致密化、高熱導燒結體

例子：有研究人員將添加質量分數3% Sm₂O₃的AlN坯體通過放電等離子燒結技術在1500℃下僅燒結3min，便得到高達118 W/( m·K)的熱導率。

2、燒結助劑成分及其添加方式

常用的燒結助劑主要是以堿土金屬和稀土元素的化合物為主，單元燒結助劑燒結能力往往很有限，通常要配合1800℃以上燒結溫度、較長燒結時間及較多含量的燒結助劑等條件。二元或多元燒結助劑各成分間相互促進，往往會得到更加明顯的燒結效果。

目前，助燒劑引入的方式一般有2種，一種是直接添加，另一種是以可溶性硝酸鹽形式制成前驅體原位生成燒結助劑。后者所生成的燒結助劑組元分布更為均勻，顆粒更為細小，比表面能更大。

燒結助劑相關閱讀：氮化鋁（AlN）燒結助劑的選擇方法及分類

參考文獻：

1、高性能氮化鋁粉體技術發展現狀，中國電子科技集團公司第四十三研究所，張浩，崔嵩，何金奇。

2、高導熱AlN陶瓷基片制備技術研究現狀及發展趨勢；南通大學機械工程學院，倪紅軍，倪威，顧濤，呂帥帥；馬立斌，何竟宇，萊鼎電子材料科技有限公司。

作者：粉體圈小白