中國粉體網(wǎng)訊 隨著大功率和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成電路和基片間散熱的重要性也越來越明顯。因此，基片必須要具有高的導(dǎo)熱率和電阻率。為滿足這一要求，國內(nèi)外研究學(xué)者開發(fā)出了一系列高性能的陶瓷基片材料，其中主要包括：Al2O3、BeO、AlN、BN、Si3N4、SiC，但是氮化鋁是綜合性能最優(yōu)良的新型先進(jìn)陶瓷材料，被認(rèn)為是新一代高集成度半導(dǎo)體基片和電子器件的理想封裝材料。
同時(shí)，氮化鋁粉體也是提高高分子材料熱導(dǎo)率和力學(xué)性能的最佳添加料，如環(huán)氧樹脂中加入氮化鋁粉體可以明顯提高其熱導(dǎo)率，據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，目前氮化鋁的應(yīng)用需求正在不斷飆升，因而受到國內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。
（圖片來源：廈門鉅瓷科技）
一、氮化鋁陶瓷的優(yōu)異性能
目前，氮化鋁陶瓷已被廣泛應(yīng)用于電子、冶金、機(jī)械、國防等各個(gè)領(lǐng)域，具有非常優(yōu)異的綜合性能，其主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
（1）熱導(dǎo)率高，是氧化鋁陶瓷的5~10倍，與氧化鈹陶瓷相當(dāng)；
（2）熱膨脹系數(shù)(4.3×10-6/℃)與半導(dǎo)體硅材料((3.5~4.0)×10-6/℃)匹配；
（3）機(jī)械性能好，高于BeO陶瓷，接近氧化鋁；
（4）電性能優(yōu)良，具有極高的絕緣電阻和低的介質(zhì)損耗；
（5）可以進(jìn)行多層布線，實(shí)現(xiàn)封裝的高密度和小型化；
（6）無毒，有利于環(huán)保。
二、影響氮化鋁陶瓷性能的粉體因素
氮化鋁陶瓷產(chǎn)品的性能直接取決于原料粉體的特性，尤其是氮化鋁最有價(jià)值的特性——導(dǎo)熱性。影響氮化鋁陶瓷導(dǎo)熱性的因素主要有：氧及其它雜質(zhì)的含量、燒結(jié)的致密度、顯微結(jié)構(gòu)等。而這些因素體現(xiàn)在氮化鋁粉體上則為：氮化鋁的純度、顆粒的粒徑、顆粒的形狀等參數(shù)上。
1、氧含量及其它雜質(zhì)的影響
氮化鋁對(duì)氧有很強(qiáng)的親和力。當(dāng)?shù)X顆粒暴露于空氣中時(shí)，顆粒表面往往會(huì)自發(fā)形成Al2O3，部分氧還會(huì)固溶進(jìn)入氮化鋁晶格，從而形成鋁空位。由于鋁空位會(huì)散射聲子，使聲子的散射截面增大，故而損害熱導(dǎo)率。因此，為了增加其熱導(dǎo)率，就必須嚴(yán)格地控制氧元素的含量。通常對(duì)氧含量的要求是小于1wt%。
氧以外的其它雜質(zhì)（包含金屬雜質(zhì)與非金屬雜質(zhì)）也會(huì)固溶在氮化鋁晶格中，導(dǎo)致氮化鋁產(chǎn)生缺陷，嚴(yán)重降低熱導(dǎo)率。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的學(xué)習(xí)了解，一般情況下，氮化鋁粉體中包含F(xiàn)e、Mg、Ca等金屬雜質(zhì)的總含量需不超過500ppm，非金屬雜質(zhì)，包含Si、C等的總含量應(yīng)低于0.1wt%。
2、粒徑大小的影響
致密度不高的材料熱導(dǎo)率也不會(huì)高。為了獲得高致密度的氮化鋁陶瓷，一般采取的方法有：使用超細(xì)粉、改善燒結(jié)方式、引入燒結(jié)助劑等方法。因此，氮化鋁粉體粒徑的大小會(huì)直接影響到氮化鋁陶瓷燒結(jié)的致密度。
超細(xì)氮化鋁粉體由于其高的比表面積，會(huì)在燒結(jié)的過程中增加燒結(jié)的推動(dòng)力，加速燒結(jié)的過程。此外，粉體的尺寸變小也就意味著物質(zhì)的擴(kuò)散距離變短，高溫下有利于液相物質(zhì)的生成，極大地加強(qiáng)了流動(dòng)傳質(zhì)作用。
由于氮化鋁自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)非常困難。只有使用純度高的超細(xì)粉，才可以在燒結(jié)的過程中盡可能地減少氣孔的出現(xiàn)，保持高致密度。因此，據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解，工業(yè)上一般要求超細(xì)氮化鋁粉體的D50（即顆粒累積分布為50%的粒徑）尺寸盡可能地保持在1~1.5μm左右且粒度均勻。
3、顆粒形狀的影響
相較于顆粒尺寸對(duì)氮化鋁陶瓷的影響，顆粒的形貌對(duì)其的影響主要集中在粉體的流動(dòng)性以及填充率的增加上。工業(yè)上一般認(rèn)為氮化鋁粉體呈球形為合理的選擇。球形粉體比其他形狀如棒狀，雙頭六角形狀流動(dòng)性更好，且填充率也會(huì)相對(duì)高一些。特別是對(duì)于把氮化鋁作為填料的工業(yè)領(lǐng)域，流動(dòng)性差意味著難以均勻混合，勢必會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能造成一定的負(fù)面影響。
氮化鋁粉體填充率越高，其熱膨脹系數(shù)就越小，熱導(dǎo)率越高。相較于其它形狀來說，球形粉體制成的封裝材料應(yīng)力集中小、強(qiáng)度高。而且球形粉體摩擦系數(shù)小，對(duì)模具的磨損小，可延長模具的使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。
高性能氮化鋁的參數(shù)指標(biāo)
（來源：馬�。哼m合于導(dǎo)熱基板用氮化鋁粉體的制備與表征）
三、高性能氮化鋁粉體的制備技術(shù)
氮化鋁的應(yīng)用廣泛，我國對(duì)氮化鋁粉體的需求也是不斷增加。但高性能氮化鋁粉體基本由國外廠商所壟斷。主要集中在日本德山，日本東洋，德國STARCK等幾家公司。因此，我國對(duì)于高性能氮化鋁粉體還需要在技術(shù)以及規(guī)模上有所突破。
要獲得性能優(yōu)異的氮化鋁陶瓷基板材料，首先必須制備出高純度、小粒度、窄粒度分布、性能穩(wěn)定的氮化鋁粉體。目前，在氮化鋁粉體生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的工藝是碳熱還原法和直接氮化法，其中碳熱還原法生產(chǎn)的粉體占據(jù)全球氮化鋁粉體總產(chǎn)量的七成以上，是氮化鋁產(chǎn)品用粉的最主要制備方法。與此同時(shí)，隨著下游產(chǎn)業(yè)對(duì)氮化鋁粉體性能及多樣化品種要求的不斷提高，多種制備工藝相繼被開發(fā)出來。
常見的氮化鋁粉體制備方法
（來源：蔣周青，等:：氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究進(jìn)展）
1、碳熱還原法
該法制備AlN是將Al2O3粉體和碳源均勻混合，在1600～1800℃的高溫流動(dòng)N2中發(fā)生還原-氮化反應(yīng)而生成AlN粉體。作為已被工業(yè)化應(yīng)用于制備AlN粉體的技術(shù)，碳熱還原法具有原料來源豐富，工藝過程簡單，制備的粉體純度高、粒徑小、分布均勻及燒結(jié)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。但該工藝存在對(duì)Al2O3和碳源的性能要求高，原料難以均勻混合，反應(yīng)溫度高、時(shí)間長，后期還需二次除碳等問題。
另據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，在碳熱還原法制備氮化鋁粉體時(shí)，影響反應(yīng)的因素太多。例如碳源的選擇，鋁源的選擇，添加劑的選擇，碳鋁摩爾比的確定，氮?dú)饬魉俚拇_定等。合理處理每一步對(duì)降低碳熱還原法合成氮化鋁粉體的成本以及提高粉體質(zhì)量都具有重要意義。如選擇不同種類的原料進(jìn)行反應(yīng)，氮化溫度可相差200℃左右。
2、直接氮化法
鋁粉直接氮化法是在1150～1300℃下，將鋁粉直接和N2或NH3化合生成AlN粉體的技術(shù)。該技術(shù)作為另一種已被工業(yè)化、也是最早被應(yīng)用于制備AlN粉體的方法，其整個(gè)生產(chǎn)過程具有工藝簡單、不用后期除碳、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。但該工藝的主要問題是鋁粉在氮化反應(yīng)開始前大量熔化結(jié)塊，造成N2擴(kuò)散困難而使鋁粉難以氮化完全；同時(shí)，AlN產(chǎn)品需進(jìn)行后期球磨破碎，得到的顆粒尺寸不均勻、球形度差，且容易引入雜質(zhì)。
3、自蔓延燒結(jié)法
鋁粉自蔓延燒結(jié)法是利用鋁粉氮化反應(yīng)時(shí)燃燒釋放的熱量使反應(yīng)過程持續(xù)自發(fā)進(jìn)行，以獲得高純度AlN粉體的合成方法。采用自蔓延燒結(jié)法制備AlN對(duì)鋁粉要求較低，所需設(shè)備簡單，操作簡便，具體過程是將鋁粉在高壓N2中引燃后，利用Al與N2之間的高化學(xué)反應(yīng)熱來維持反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，直到鋁粉被完全轉(zhuǎn)化為AlN。
但該工藝由于反應(yīng)速率過快、過程難以控制，得到的AlN粉體形貌呈現(xiàn)不規(guī)則狀，單晶顆粒內(nèi)部容易形成高濃度缺陷和非平衡結(jié)構(gòu)，粉體純度較低，同時(shí)顆粒容易出現(xiàn)大面積團(tuán)聚現(xiàn)象。因此，通過該工藝獲得的粉體原料會(huì)影響燒成AlN基板的機(jī)械強(qiáng)度及熱導(dǎo)率，也不利于提純用于單晶生長的高純AlN粉體。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，目前，利用該工藝制備AlN粉體還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
4、化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積（CVD）法是一種制備超細(xì)、高純、高比表面積、粒度分布均勻氮化物粉體的有效方法。采用該方法制備AlN粉體的核心原理是將鋁的揮發(fā)性化合物（鹵化鋁或烷基鋁）由N2帶入反應(yīng)室與NH3反應(yīng)，從氣相中沉積得到AlN晶粒。
CVD法生產(chǎn)的AlN粉體具有純度高、粒度細(xì)小且比表面積高的特點(diǎn)。但該工藝存在對(duì)設(shè)備要求較高，生產(chǎn)效率低，采用烷基鋁為原料會(huì)導(dǎo)致成本較高，而采用無機(jī)鋁為原料則會(huì)生成腐蝕性氣體，所以目前還難以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
5、等離子體法
等離子體法是合成納米級(jí)AlN粉體的先進(jìn)工藝，其原理是將鋁粉通過氣體送入等離子體反應(yīng)器中，鋁粉在高溫等離子體環(huán)境下快速升溫、熔融、氣化形成鋁蒸氣，鋁蒸氣再與高能量的氮離子反應(yīng)生成AlN納米顆粒。
用等離子體法合成AlN粉體具有反應(yīng)時(shí)間短、得到的粉體粒徑小、比表面積大、雜質(zhì)少、無需二次除碳等優(yōu)勢。但該工藝也存在設(shè)備要求高、產(chǎn)品產(chǎn)量低、單顆粒形貌不規(guī)則、難以得到低氧含量粉體等問題，所以目前該工藝制備AlN粉體還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
小結(jié)
高性能氮化鋁陶瓷最終取決于氮化鋁粉體的質(zhì)量，到目前為止，制備氮化鋁粉體有氧化鋁粉碳熱還原法、鋁粉直接氮化法、化學(xué)氣相沉積法、自蔓延高溫合成法等多種方法，各種方法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。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，是目前制備高性能氮化鋁粉的主流技術(shù)，已經(jīng)用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
氮化鋁粉體制備的技術(shù)發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是進(jìn)一步提升氮化鋁粉體的性能，使之能夠制造出更高熱導(dǎo)率的氮化鋁陶瓷產(chǎn)品；二是進(jìn)一步提升氮化鋁粉體批次生產(chǎn)穩(wěn)定性，增大批生產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。我國目前的高性能氮化鋁粉基本依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格高昂，而且隨時(shí)存在原材料斷供的風(fēng)險(xiǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)高性能氮化鋁粉制造技術(shù)的國產(chǎn)化，已成為當(dāng)務(wù)之急。
參考來源：
馬�。哼m合于導(dǎo)熱基板用氮化鋁粉體的制備與表征，北京交通大學(xué)2019
蔣周青，等:：氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究進(jìn)展，有研科技集團(tuán)有限公司2019
張浩，等：高性能氮化鋁粉體技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所2015
燕東明，等：高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷研究進(jìn)展，中國兵器工業(yè)第五二研究所2011
劉戰(zhàn)偉，等：氮化鋁粉末的制備方法及影響因素，中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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