中國粉體網訊 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熱率和電阻率。為滿足這一要求，國內外研究學者開發(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)良的新型先進陶瓷材料，被認為是新一代高集成度半導體基片和電子器件的理想封裝材料。
同時，氮化鋁粉體也是提高高分子材料熱導率和力學性能的最佳添加料，如環(huán)氧樹脂中加入氮化鋁粉體可以明顯提高其熱導率，據中國粉體網編輯了解，目前氮化鋁的應用需求正在不斷飆升，因而受到國內外研究者的普遍關注。
（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用于電子、冶金、機械、國防等各個領域，具有非常優(yōu)異的綜合性能，其主要表現為以下幾個方面：
（1）熱導率高，是氧化鋁陶瓷的5~10倍，與氧化鈹陶瓷相當；
（2）熱膨脹系數(4.3×10-6/℃)與半導體硅材料((3.5~4.0)×10-6/℃)匹配；
（3）機械性能好，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損耗；
（5）可以進行多層布線，實現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值的特性——導熱性。影響氮化鋁陶瓷導熱性的因素主要有：氧及其它雜質的含量、燒結的致密度、顯微結構等。而這些因素體現在氮化鋁粉體上則為：氮化鋁的純度、顆粒的粒徑、顆粒的形狀等參數上。
1、氧含量及其它雜質的影響
氮化鋁對氧有很強的親和力。當氮化鋁顆粒暴露于空氣中時，顆粒表面往往會自發(fā)形成Al2O3，部分氧還會固溶進入氮化鋁晶格，從而形成鋁空位。由于鋁空位會散射聲子，使聲子的散射截面增大，故而損害熱導率。因此，為了增加其熱導率，就必須嚴格地控制氧元素的含量。通常對氧含量的要求是小于1wt%。
氧以外的其它雜質（包含金屬雜質與非金屬雜質）也會固溶在氮化鋁晶格中，導致氮化鋁產生缺陷，嚴重降低熱導率。據中國粉體網編輯的學習了解，一般情況下，氮化鋁粉體中包含Fe、Mg、Ca等金屬雜質的總含量需不超過500ppm，非金屬雜質，包含Si、C等的總含量應低于0.1wt%。
2、粒徑大小的影響
致密度不高的材料熱導率也不會高。為了獲得高致密度的氮化鋁陶瓷，一般采取的方法有：使用超細粉、改善燒結方式、引入燒結助劑等方法。因此，氮化鋁粉體粒徑的大小會直接影響到氮化鋁陶瓷燒結的致密度。
超細氮化鋁粉體由于其高的比表面積，會在燒結的過程中增加燒結的推動力，加速燒結的過程。此外，粉體的尺寸變小也就意味著物質的擴散距離變短，高溫下有利于液相物質的生成，極大地加強了流動傳質作用。
由于氮化鋁自擴散系數小，燒結非常困難。只有使用純度高的超細粉，才可以在燒結的過程中盡可能地減少氣孔的出現，保持高致密度。因此，據中國粉體網編輯的了解，工業(yè)上一般要求超細氮化鋁粉體的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
相較于顆粒尺寸對氮化鋁陶瓷的影響，顆粒的形貌對其的影響主要集中在粉體的流動性以及填充率的增加上。工業(yè)上一般認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，雙頭六角形狀流動性更好，且填充率也會相對高一些。特別是對于把氮化鋁作為填料的工業(yè)領域，流動性差意味著難以均勻混合，勢必會對產品的性能造成一定的負面影響。
氮化鋁粉體填充率越高，其熱膨脹系數就越小，熱導率越高。相較于其它形狀來說，球形粉體制成的封裝材料應力集中小、強度高。而且球形粉體摩擦系數小，對模具的磨損小，可延長模具的使用壽命，提高經濟效益。
高性能氮化鋁的參數指標
（來源：馬�。哼m合于導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
氮化鋁的應用廣泛，我國對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，我國對于高性能氮化鋁粉體還需要在技術以及規(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，在氮化鋁粉體生產中應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的粉體占據全球氮化鋁粉體總產量的七成以上，是氮化鋁產品用粉的最主要制備方法。與此同時，隨著下游產業(yè)對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的研究進展）
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N2中發(fā)生還原-氮化反應而生成AlN粉體。作為已被工業(yè)化應用于制備AlN粉體的技術，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、分布均勻及燒結性能良好等優(yōu)點。但該工藝存在對Al2O3和碳源的性能要求高，原料難以均勻混合，反應溫度高、時間長，后期還需二次除碳等問題。
另據中國粉體網編輯了解，在碳熱還原法制備氮化鋁粉體時，影響反應的因素太多。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，氮氣流速的確定等。合理處理每一步對降低碳熱還原法合成氮化鋁粉體的成本以及提高粉體質量都具有重要意義。如選擇不同種類的原料進行反應，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。該技術作為另一種已被工業(yè)化、也是最早被應用于制備AlN粉體的方法，其整個生產過程具有工藝簡單、不用后期除碳、成本較低的優(yōu)點。但該工藝的主要問題是鋁粉在氮化反應開始前大量熔化結塊，造成N2擴散困難而使鋁粉難以氮化完全；同時，AlN產品需進行后期球磨破碎，得到的顆粒尺寸不均勻、球形度差，且容易引入雜質。
3、自蔓延燒結法
鋁粉自蔓延燒結法是利用鋁粉氮化反應時燃燒釋放的熱量使反應過程持續(xù)自發(fā)進行，以獲得高純度AlN粉體的合成方法。采用自蔓延燒結法制備AlN對鋁粉要求較低，所需設備簡單，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之間的高化學反應熱來維持反應的持續(xù)進行，直到鋁粉被完全轉化為AlN。
但該工藝由于反應速率過快、過程難以控制，得到的AlN粉體形貌呈現不規(guī)則狀，單晶顆粒內部容易形成高濃度缺陷和非平衡結構，粉體純度較低，同時顆粒容易出現大面積團聚現象。因此，通過該工藝獲得的粉體原料會影響燒成AlN基板的機械強度及熱導率，也不利于提純用于單晶生長的高純AlN粉體。據中國粉體網編輯了解，目前，利用該工藝制備AlN粉體還處于實驗室研究階段。
4、化學氣相沉積法
化學氣相沉積（CVD）法是一種制備超細、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帶入反應室與NH3反應，從氣相中沉積得到AlN晶粒。
CVD法生產的AlN粉體具有純度高、粒度細小且比表面積高的特點。但該工藝存在對設備要求較高，生產效率低，采用烷基鋁為原料會導致成本較高，而采用無機鋁為原料則會生成腐蝕性氣體，所以目前還難以進行大規(guī)模工業(yè)化生產。
5、等離子體法
等離子體法是合成納米級AlN粉體的先進工藝，其原理是將鋁粉通過氣體送入等離子體反應器中，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生成AlN納米顆粒。
用等離子體法合成AlN粉體具有反應時間短、得到的粉體粒徑小、比表面積大、雜質少、無需二次除碳等優(yōu)勢。但該工藝也存在設備要求高、產品產量低、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粉體還停留在實驗室階段。
小結
高性能氮化鋁陶瓷最終取決于氮化鋁粉體的質量，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。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，已經用于工業(yè)化大規(guī)模生產。
氮化鋁粉體制備的技術發(fā)展趨勢主要表現在兩個方面：一是進一步提升氮化鋁粉體的性能，使之能夠制造出更高熱導率的氮化鋁陶瓷產品；二是進一步提升氮化鋁粉體批次生產穩(wěn)定性，增大批生產量，降低生產成本。我國目前的高性能氮化鋁粉基本依賴進口，不僅價格高昂，而且隨時存在原材料斷供的風險。因此，實現高性能氮化鋁粉制造技術的國產化，已成為當務之急。
參考來源：
馬�。哼m合于導熱基板用氮化鋁粉體的制備與表征，北京交通大學2019
蔣周青，等:：氮化鋁粉體制備技術的研究進展，有研科技集團有限公司2019
張浩，等：高性能氮化鋁粉體技術發(fā)展現狀，中國電子科技集團公司第四十三研究所2015
燕東明，等：高熱導率氮化鋁陶瓷研究進展，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，中南大學冶金科學與工程學院
（中國粉體網編輯整理/平安）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除！
