中國粉體網(wǎng)訊 氮化鋁具有熱導(dǎo)率高、高溫絕緣性和介電性能好、高溫下材料強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低并且與半導(dǎo)體硅材料相匹配、無毒等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械等性能，是理想的陶瓷基板和電子封裝散熱材料。
氮化鋁陶瓷的核心和關(guān)鍵性能指標(biāo)是高熱導(dǎo)率，盡管理論上氮化鋁熱導(dǎo)率可達(dá)到320W/(m·K)，但由于氮化鋁中的雜質(zhì)和缺陷造成實(shí)際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率還不到200W/(m·K)，因此提高氮化鋁的熱導(dǎo)率非常重要。
影響氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率的因素
影響氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率的主要因素有晶格的氧含量、致密度、顯微結(jié)構(gòu)、粉體純度等。
氧含量及雜質(zhì)
對于氮化鋁陶瓷來說，由于它對氧的親和作用強(qiáng)烈，氧雜質(zhì)易于在燒結(jié)過程中擴(kuò)散進(jìn)入AlN晶格，與多種缺陷直接相關(guān)，是影響氮化鋁熱導(dǎo)率的最主要根源。在聲子-缺陷的散射中，起主要作用的是雜質(zhì)氧和氧化鋁的存在，由于氮化鋁易于水解和氧化，表面形成一層氧化鋁膜，氧化鋁溶入氮化鋁晶格中產(chǎn)生鋁空位。使得氮化鋁晶格出現(xiàn)非諧性，影響聲子散射，從而使氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率急劇降低。
致密度
根據(jù)氮化鋁的熱傳導(dǎo)性能，低致密度的樣品存在的大量氣孔，會(huì)影響聲子的散射，降低其平均自由程，進(jìn)而降低氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率。同時(shí)，低致密度的樣品其機(jī)械性能也可能達(dá)不到相關(guān)應(yīng)用要求。因此，高致密度是氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率的前提。
顯微結(jié)構(gòu)
氮化鋁陶瓷的顯微組織結(jié)構(gòu)與其熱力學(xué)性能有著一一對應(yīng)，顯微結(jié)構(gòu)包括晶粒尺寸、形貌和晶界第二相的含量及分布等。實(shí)際的氮化鋁陶瓷為多相組成的多晶體，它主要由氮化鋁晶相、鋁酸鹽第二相（晶界相）以及氣孔等缺陷組成。除了對氮化鋁的晶格缺陷進(jìn)行研究外，許多人還對氮化鋁的晶粒、晶界形貌、晶界相的組成、性質(zhì)、含量、分布、以及它們與熱導(dǎo)率的關(guān)系進(jìn)行了廣泛研究，一般認(rèn)為鋁酸鹽第二相的分布對熱導(dǎo)率的影響最為重要。
提高氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率的途徑
提高氮化鋁粉末的純度
理想的氮化鋁粉料應(yīng)含適量的氧。除氧以外，其他雜質(zhì)元素如Si、Mn和Fe等，也能進(jìn)入氮化鋁晶格，造成缺陷，降低氮化鋁的熱導(dǎo)率。雜質(zhì)進(jìn)入晶格后，使晶格發(fā)生局部畸變，由此產(chǎn)生應(yīng)力作用，引起位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷，增大聲子散射，故應(yīng)該提高氮化鋁的粉末的純度。
改進(jìn)氮化鋁粉末合成方法，制備出粒徑在1μm以下，含氧量1%的高純粉末，是制備高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷的前提。此外，對含燒結(jié)助劑的氮化鋁粉末，引入適量的碳，在制備氮化鋁陶瓷的燒結(jié)過程中，于致密化之前，先對氮化鋁粉末表面的氧化物進(jìn)行還原碳化，也能使氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率提高。
加入適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑
引入添加劑主要有兩方面的作用：（1）促進(jìn)氮化鋁陶瓷致密化。氮化鋁是共價(jià)化合物，具有熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散系數(shù)小的特點(diǎn)，一般難以燒結(jié)致密，使用添加劑可以在較低溫度產(chǎn)生液相，潤濕晶粒，從而達(dá)到致密化。（2）凈化晶格。氮化鋁低氧有很強(qiáng)的親和力，晶格中經(jīng)常固溶了氧，產(chǎn)生鋁空位，降低了聲子的平均自由程，熱導(dǎo)率也因此降低。合適的添加劑可以有效與晶格中氧反應(yīng)生成第二相，凈化晶格，提高熱導(dǎo)率。
大量的研究表明，稀土金屬氧化物和氟化物、堿土金屬氧化物和氟化物等均可以作為助燒劑提高氮化鋁的熱導(dǎo)率。但添加劑的量應(yīng)適當(dāng)，過多會(huì)增加雜質(zhì)含量，從而影響熱導(dǎo)率；過少又起不到燒結(jié)助劑的作用。復(fù)合助劑比單一的添加劑能更有效的提高熱導(dǎo)率，同時(shí)還能降低燒結(jié)溫度。
選擇合適的燒結(jié)工藝
致密度對氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率有重要影響，致密度較低的氮化鋁陶瓷很難有較高的熱導(dǎo)率，因此必須選擇合適的燒結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)氮化鋁陶瓷的致密化。
常壓燒結(jié)：常壓燒結(jié)的燒結(jié)溫度通常為1600℃至2000℃，當(dāng)添加了Y2O3燒結(jié)助劑后，氮化鋁粉會(huì)產(chǎn)生液相燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般在1700℃至1900℃，特別是1800℃最常用，保溫時(shí)間為2h。燒結(jié)溫度還要受到氮化鋁粉粒度、添加劑含量及種類等的影響。熱壓溫度相對能低一些，一般是在1500℃至1700℃，保溫時(shí)間為0.5h，施加的壓力為20MPa左右。在1500℃至1800℃范圍內(nèi)，提高氮化鋁燒結(jié)溫度通常會(huì)顯著提高氮化鋁燒結(jié)體的導(dǎo)熱率和致密度，特別是在常壓燒結(jié)時(shí)，這種影響更為顯著。
熱壓燒結(jié)：熱壓燒結(jié)是指在機(jī)械壓力和溫度同時(shí)作用下，對粉料進(jìn)行燒結(jié)獲得致密塊體的過程。熱壓燒結(jié)可以使加熱燒結(jié)和加壓成型同時(shí)進(jìn)行。在高溫下坯體持續(xù)受到壓力作用，粉末原料處于熱塑性狀態(tài)，有利于物質(zhì)的擴(kuò)散和流動(dòng)，并且外加壓力抵消了形變阻力，促進(jìn)了粉末顆粒之間的接觸。熱壓燒結(jié)可以降低氮化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，而且不用燒結(jié)助劑也能使氮化鋁燒結(jié)致密，且除氧能力強(qiáng)，但是缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，而且只能制備形狀簡單的樣品。
微波燒結(jié)：微波燒結(jié)是利用微波與介質(zhì)的相互作用產(chǎn)生介電損耗使坯體整體加熱的燒結(jié)方法。同時(shí)，微波可以使粉末顆�；钚蕴岣�，有利于物質(zhì)的傳遞。微波燒結(jié)已成為一門新型的陶瓷燒結(jié)技術(shù)，它利用整體性自身加熱，使材料加熱的效率提高，升溫速度加快，保溫時(shí)間縮短，這有利于提高致密化速度并可以有效抑制晶粒生長，獲得獨(dú)特的性能和結(jié)構(gòu)。
放電等離子燒結(jié)：放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬間高溫場來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程。SPS升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、能在較低溫度下燒結(jié)，通過控制燒結(jié)組分與工藝能實(shí)現(xiàn)溫度梯度場，可用于燒結(jié)梯度材料及大型工件等復(fù)雜材料。放電等離子燒結(jié)內(nèi)每個(gè)顆粒均勻的自身發(fā)熱使顆粒表現(xiàn)活化，因而具有很高的熱導(dǎo)率，可在短時(shí)間內(nèi)使燒結(jié)體致密化。
熱處理
熱處理是氮化鋁陶瓷調(diào)整結(jié)構(gòu)、改善性能的重要措施，最主要的作用是減少晶界第二相，從而提高熱導(dǎo)率。Sang-Kee Lee等采用長時(shí)間燒結(jié)的方法制備消除晶界相的氮化鋁陶瓷，在還原性N2氣氛下以Y2O3為添加劑1900℃℃燒結(jié)100ｈ，致密和拋光表面的熱導(dǎo)率為219-318W/(m·K)。
參考資料：
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燕東明、高曉菊等.高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷研究進(jìn)展
何慶.納米氮化鋁粉末的制備、燒結(jié)及性能研究
楊清華.低溫?zé)Y(jié)高熱導(dǎo)氮化鋁陶瓷及其熱傳導(dǎo)性能研究
魯慧峰.氮化鋁粉末制備及注射成型研究
陳淑文.AlN粉體的合成與燒結(jié)機(jī)制研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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