AlN陶瓷作为新型材料，具有众多优异的性能：如优异的热导率、较低的介电损耗和介电常数以及可靠的电绝缘性能，同时具有与Si相接近的热膨胀系数等一些列优异的特性，被认为是高集成度半导体基片和电子器件封装的理想材料。因此关于AlN功能陶瓷材料的研究受到了广泛关注。AlN是Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物，其晶体是以[AlN₄]四面体为结构单位的共价键化合物，晶体结构如下图所示。25℃时晶格常数α₀ = 3.1172，c₀=4.9816，属六方晶系。

图 AlN晶体结构

对于AlN陶瓷材料而言，原始AlN粉末的技术指标，如粒径、纯度以及颗粒形貌等因素直接影响AlN陶瓷材料的综合性能。为了制备出高品质的AlN陶瓷材料，必须制备出纯度高、颗粒细小且均匀的氮化铝粉末。本文主要对氮化铝粉体的制备工艺进行总结和归纳，氮化铝粉末的常见制备方法主要有：铝粉直接氮化法、碳热还原法、自蔓延高温合成法和溶胶凝胶法等。

1.AlN粉体制备方法

1.1 铝粉直接氮化法

铝粉直接氮化法就是在持续的流动N₂（或NH₃）气氛条件下（或密闭的氮气气氛容器内），铝粉与N₂（或NH₃）在较高温度下直接发生化学反应生成AlN粉末团块或粉末颗粒。该反应温度一般控制在800~1200℃。该方法是最早用来制备AlN粉体的方法，该方法所需原料丰富，工艺简单，目前已用于大规模生产。铝粉直接氮化法涉及的化学反应为：

Al(s)+N₂(g)→AlN(s)

优点：成本低廉，设备成本低且制备工艺简单；

缺点：反应初期铝粉表面被氮化生成氮化铝层，进而阻止了N₂或NH₃进一步向铝粉颗粒中心扩散，导致制备的氮化铝产率较低；铝粉与N₂或NH₃反应会释放大量热量，释放的热量导致生成的氮化铝粉体出现自烧结而形成团聚体，最终导致粉体颗粒粗化。

目前的直接氮化法的研究热点主要集中于：如何提高氮化速率、产物氮含量以及消除产物团聚等方面。为了提高反应速率和锅粉的转化率目前所做的改进主要集中于两个方面：一方面对传统直接氮化法的设备和工艺进行改进；另一方面在原材料锅粉中加入各类添加剂促进培粉的转化率和减少产物团聚。

1.2 碳热还原法

碳热还原法是将一定量的Al₂O₃粉末和过量C粉的混合粉末（或通过各种制备方法制备的前驱体粉末）在一定温度下（1200~2000℃）的流动N₂气氛条件下进行氮化还原反应制备AlN粉末。该制备方法涉及的化学反应方程式为：

Al₂O₃(s)+3C(s)+N₂(g)→2AlN(s)+3CO(g)

从该化学式可以看出：碳热还原法中Al₂O₃/C的摩尔比要求为3，实际操作中为了加快反应速率、提高氮化铝的转化率以及获得颗粒均匀和粒径适中的粉体，会加入过量的碳粉，因此合成反应完成后因对粉体进行除碳处理以提高所制备的氮化铝纯度。此外，反应的另一影响因素是原料球磨混合的均匀程度，所使用的原料能均匀分散与充分混合时，可有效降低碳粉的用量，减少二次除碳工艺所需的时间，降低制造成本。

优点：原料丰富工艺过程简单等特点，合成的粉体纯度高粒径小且分布均匀；

缺点：合成时间较长氮化温度较高，而且反应后还需对过量的碳进行除碳处理，导致生产成本较高。

目前，碳热还原法的研究热点主要集中在：

（1）寻找合适的碳源，从而减少碳粉的使用量，避免除碳处理；

（2）通过多种方法制备合适的前驱体粉末，从而降低反应的活化能和反应温度。

1.3 自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法合成氮化铝，是指用外加热源点燃反应物，利用铝粉氮化过程中放出的高化学反应热自加热自传导合成氮化铝材料的一种方法，又称燃烧合成法。该法的实质就是铝粉的直接氮化，只是不需要将铝粉加热至1000℃以上长时间氮化，只需将铝粉于氮气中点燃。自蔓延高温合成法制备AlN粉体涉及的化学反应方程为：

2Al(s)+N₂(g)+X→2AlN(s)

自蔓延高温合成法一般需要加入一定量的合成产物作为稀释剂来降低反应温度，控制反应速度，减少产物团聚现象。在铝粉中混入一定量的氮化铝粉末后，可以有效减少合成产物的团聚，提高合成产物的氮含量。

优点：该工艺反应速度很快，不需要外部加热，成本低廉，适应于大批量工业化生产；

缺点：高温自蔓延中升温和冷却的速度极快，易于形成高浓度缺陷和非平衡结构，粉末的晶形呈不规则状，粒径分布不均匀。

自蔓延高温法制备氮化铝粉末由于反应速度极快，反应产物极易结块，合成产物一般为块体或粉状团块。因此，需要对合成产物进行球磨处理，从而得到粒径分布均匀、粒度细小的AlN粉末。

1.4 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是指金属有机化合物或无机化合物经过溶液，溶胶，凝胶而固化，再通过焙烧而形成氧化物或其他产物的方法。这种方法就避免了颗粒的过度生长以及在液相中的团聚，因此获得的粉体粒度分布窄，呈纳米级微粒。

溶胶凝胶法最早由美国人Interrente等人提出该方法使用溶胶凝胶工艺，将使三院基铝盐和氨溶于有机溶剂中进行反应，从而生成院基铝酷胺中间体，再将其从有机溶剂中分离出来，最后在一定温度下进行加热烘干处理，使其转变为纯度较高的氮化铝。溶胶凝胶法制备AlN粉体涉及的化学反应方程为：

R₃Al+NH₃→AlNH₃→(R₂AlNH₂)₂→(RAlNH)_x→AlN

优点：制备工艺简单，氮化温度低，AlN转化率高，纯度高且无杂相；

缺点：不宜大批量生产。

2.AlN陶瓷材料应用

2.1基板材料和电子封装材料

目前，封装基板材料主要采用氧化铝陶瓷或高分子材料，但随着电子产品的小型化，使集成电路(IC)和电子系统在半导体工业上也朝向高集成密度以及高功能化的方向发展。因此，如今对于电子零件的承载基板要求越来越严格，其中，高热导率更加成为电路高度集成化和小型化的突破口，氧化铝陶瓷基板也越来越难以满足发展要求。由于Al N具有良好的物理和化学性能逐步成了封装材料的首要选择。图2为高功率应用的氮化铝陶瓷基板和封装。

图2高功率应用的氮化铝陶瓷基板和封装

2.2耐热冲和热交换材料

氮化铝陶瓷室温比较强度高，且不易受温度变化影响，同时具有比较高的热导系数和比较低的热膨胀系数，是一种优良的耐热冲材料及热交换材料，作为热交换材料，可望应用于燃气轮机的热交换器上。

2.3耐热材料

由于氮化铝具有与铝、钙等金属不润湿等特性，所以可以用其作坩埚、保护管、浇注模具等。将氮化铝陶瓷作为金属熔池可以用在浸入式热电偶保护管中，由于它不粘附熔融金属，在800~1000℃的熔池中可以连续使用大约3000个小时以上并且不会被侵蚀破坏。此外，由于氮化铝材料对熔盐砷化镓等材料性能稳定，那么将坩埚替代玻璃进行砷化镓半导体的合成，能够完全消除硅的污染而得到高纯度的砷化镓。

2.4微波衰减材料

微波衰减的研究应用已经逐渐从军事方面向人们的日常生活方面渗透，如人体安全防护，雷达探测和波导或同轴吸收元件。它的本质就是在介质内部，通过极化这种物理机制将微波能量转化为热能并经由材料本身将热能交换到外界环境中去，被越来越多的应用到大功率微波电真空器件中。

AlN的介电损耗值较低，为了使之适合作为微波衰减材料，通常添加导电性和导热性都良好的金属或者陶瓷作为微波衰减剂制备成Al N 基的微波衰减陶瓷。目前研究中所涉及到的导电添加剂有碳纳米管、TiB₂、TiC以及金属Mo、W、Cu等。

总之，Al N材料在电子领域和电力、机车、航空和航天、国防和军工、通讯

以及众多工业领域都具有广阔的应用前景和广泛的潜在市场。

3.总结

氮化铝陶瓷粉体材料具有一系列优良理化性能，有着广阔的发展前景。氮化铝粉体最基本的制备方法是铝粉直接氮化法和Al2O3碳热还原法，其制备技术已经比较成熟，并广泛应用于工业化生产。其他制备方法如高温自蔓延都是这两种最基本方法的外延，因此必须完善AlN粉体的制备方法，通过工艺创新或原材料控制，最终达到高品质AlN粉体的低成本制备。

但AlN对其电阻率、光学性能以及高频介电性能的研究还很少。若能调控AlN陶瓷的电阻率并降低电阻率，将大大降低陶瓷基板的制备成本，有望代替单晶Si用于制作半导体器件；同时AlN陶瓷的高频介电性能研究有利于推动该材料在高频高温器件方面的应用。若AlN陶瓷材料的研究向烧结温度低、热导率高、力学性能好、生产成本低等方面，将加加快AlN材料在电子领域和电力、机车、航空和航天、国防和军工、通讯以及众多工业领域的都具有广阔的应用前景和广泛的潜在市场。

作者：小龙

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