氮化铝（AlN）陶瓷作为一种新型的电子器件封装基板材料，具有热导率高、强度高、热膨胀系数低、介电损耗小、耐高温及化学腐蚀，绝缘性好，而且无毒环保等优良性能，是被国内外一致看好最具有发展前景的陶瓷材料之一。

作为一种非常适合用于高功率、高引线和大尺寸芯片封装基板材料，氮化铝陶瓷基板的热导率一直是行业内关注研究的难题，目前商用氮化铝基板的热导率距离其理论热导率还有很大的差距，因此，在降低氮化铝陶瓷烧结温度的同时研制出更高热导率的氮化铝陶瓷基板，对于电子器件的快速发展有着重大意义。

氮化铝陶瓷基板

要想制备出热导率更高的氮化铝基板，就要从其导热原理出发，探究究竟哪些因素影响了热导率。

氮化铝的热传导机理

热导率，也即导热系数，作为衡量物质导热能力的量度，是导热材料最重要的性质之一。AIN属于共价化合物，其分子内部没有可自由移动的电子，因此热量的传递是以晶格振动这种形式来实现的，这种方式叫“声子传热”。晶体内部温度高的部分能量大，温度低的部分能量小，能量通过声子之间互相作用，从高能量向低能量发生传递，能量的迁移导致热量的传导。

声子型热传导

可以看到，把晶格内部的原子看成小球，这些小球之间彼此由弹簧（共价键）连接起来，从而每个原子的振动都要牵动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传播。这种晶格振动产生的能量量子，即“声子”，声子相互作用使振动传递，从而使能量迁移，传导热量。

热导率K在声子传热中的关系式为：

上式c为陶瓷体本身的热容，v为声子的平均运动速度，λ为声子的平均自由程。材料本身的热容（c）接近常数，氮化铝的热容大是氮化铝的热导率高的原因之一，声子速度（v）仅与晶体密度和弹性力学性质有关，也可视为常数，所以，声子的传播距离（平均自由程），是影响最终宏观上氮化铝陶瓷的热导率表现的关键。

所以我们通过氮化铝内部声子的热传导机理可知，要想热导率高，就要使声子的传播更远（自由程大），也即减少传播的阻力，这种阻力一般来自于声子扩散过程中的各种散射。烧结后的陶瓷内部通常会有各种晶体缺陷、杂质、气孔以及引入的第二相，这些因素的作用使声子发生散射，也就影响了最终的热导率。

影响热导率的关键因素

通过不断研究证实，在众多影响AlN陶瓷热导率因素中，AlN陶瓷的显微结构、氧杂质含量尤为突出。

（1）氮化铝陶瓷微观结构对热导率的影响

在实际应用中，常在AlN中加入各种烧结助剂来降低AlN陶瓷的烧结温度，与此同时在氮化铝晶格中也引入了第二相，致使热传导过程中声子发生散射导致热导率下降。

添加烧结助剂引入的第二相会出现几种情况：从分布形式来看，可分为孤岛状和连续分布在晶界处；从分布位置来看，可分为分布在晶界三角处和晶界其他处。连续分布的晶粒可为声子提供了更直接的通道，直接接触AlN晶粒比孤立分布的AlN晶粒具有更高的热导率，所以第二相是连续分布的更好；分布于晶界三角处的AlN陶瓷在热传导过程中产生的干扰散射较少，而且能够使AlN晶粒间保持接触，故而第二相分布在晶界三角处更好。

（a）连续分布 （b）晶界三角处分布

氮化铝晶体内第二相的分布示意图

此外，晶界相若分布不均匀，会导致大量的气孔存在，阻碍声子的散射，导致 AlN 的热导率下降，晶界含量、晶界大小以及气孔率对热导率的表现也有一定的影响。

因此，在AlN陶瓷的烧结过程中，可以通过改善烧结工艺的途径，如提高烧结温度、延长保温时间、热处理等，改善晶体内部缺陷，尽可能使第二相连续分布以及位于三叉晶界处，从而提高氮化铝陶瓷的热导率。

（2）氧杂质对热导率的影响

AIN极易发生水解和氧化，使氮化铝表面发生氧化，导致氧固溶入AIN晶格中形成铝空位缺陷，这样就会导致声子散射增加，平均自由程降低，热导率也随之降低。

AlN 晶格中的氧含量和热导率

因此，为了提高热导率，加入合适的烧结助剂来除去晶格中的氧杂质是一种有效的办法。

氮化铝陶瓷的烧结的关键控制要素

AlN是共价化合物，原子的自扩散系数小，键能强，导致很难烧结致密，其熔点高达3000℃以上，烧结温度更是高达1900℃以上，如此高的烧结温度严重制约了氮化铝在工业上的实际应用。

此外，AlN表层的氧杂质是在高温下才开始向其晶格内部扩散的，因此低温烧结还有另外一个作用，即延缓烧结时表层的氧杂质向 AlN 晶格内部扩散，减少晶格内的氧杂质，因此制备高热导率的AlN陶瓷材料，低温烧结技术的研究势在必行。

目前工业上，氮化铝陶瓷的烧结有多种方式，可以根据实际需求，采取不同的烧结方法来获得致密的陶瓷体，无论用什么烧结方式，细化氮化铝原始粉料以及添加适宜的低温烧结助剂能够有效降低氮化铝陶瓷的烧结温度。

（1）采用小粒径氮化铝粉

氮化铝烧结过程的驱动力为表面能，颗粒细小的AlN粉体能够增强烧结活性，增加烧结推动力从而加速烧结过程。研究证实，当氮化铝原始粉料的起始粒径细小20倍后，陶瓷的烧结速率将增加147倍。

烧结原料应选择粒径小且分布均匀的氮化铝粉，可防止二次再结晶，内部的大颗粒易发生晶粒异常生长而不利于致密化烧结；若颗粒分布不均匀，在烧结过程中容易发生个别晶体异常长大而影响烧结。

氮化铝晶粒生长

此外，氮化铝陶瓷的烧结机理有时也受原始粉末粒度的影响。微米级的氮化铝粉体按体积扩散机理进行烧结，而纳米级的粉体则按晶界扩散或者表面扩散机理进行烧结。

但目前而言，细小均匀的氮化铝粉体制备很困难，大多通过湿化学法结合碳热还原法制备，不仅烧结工艺复杂，而且耗能大，大规模的推广应用仍旧有一定的限制。国内在小粒径高性能氮化铝粉的供应上，仍十分稀缺。

（2）氮化铝陶瓷低温烧结助剂的选择

在烧结过程中通过添加一些低熔点的烧结助剂，可以在氮化铝烧结过程中产生液相，促进氮化铝胚体的致密烧结。此外，一些烧结助剂除了能够产生液相促进烧结，还能够与氮化铝晶格中的氧杂质反应，起到去除氧杂质净化晶格的作用，从而提高AlN陶瓷的热导性能。

烧结助剂作用过程示意图

然而，烧结助剂不能盲目的添加，添加的量也要适宜，否则可能会产生不利的作用，烧结助剂会引入第二相，第二相的分布控制对热导率影响较大。

经研究，在选择氮化铝陶瓷低温烧结助剂时应参照以下几点：

①添加剂熔点较低，能够在较低的烧结温度下形成液相，通过液相促进烧结；

②添加剂能够与Al₂O₃反应，去除氧杂质，净化AlN晶格，进而提高热导率；

③添加剂不与AlN反应，避免缺陷的产生；

④添加剂不会诱发AlN发生分解和氧化产生Al₂O₃和AlON，避免氮化铝陶瓷热导率急剧降低。

目前发现的适合作为烧结助剂的材料有Y₂O₃、CaO、Li₂O、BaO、MgO、SrO₂、La₂O₃、HfO₂和CeO₂等不与AlN发生反应的氧化物，以及一些稀土金属与碱土金属的氟化物和少量具有还原性的化合物（CaC₂、YC₂、TiO₂、ZrO₂、TiN等）。

单独采用某种单一的烧结助剂，在常压下烧结通常需要高于 1800℃的温度，利用复合助剂，设计合理的助剂及配比，可以进一步有效降低烧结温度，也是目前普遍采用的一种氮化铝低温烧结方法。

总结

氮化铝陶瓷基板电子封装领域的应用范围越来越广，目前也有一些国内企业在这个领域有所建树，然而相对于早已接近红海的海外市场，我国的氮化铝陶瓷基板的发展仍处于起步阶段，在高性能粉体及高导热基板的制备生产上仍有一定的差距。深入了解材料的作用机理，从根源上“对症下药”，才能让我国的陶瓷基板产业更上一个台阶。

参考来源：

大功率 LED 用高热导率氮化铝陶瓷基座的制备与封装研究，李宏伟（中国计量学院）。

粉体圈 小吉