影响氮化铝陶瓷基片导热系数的因素

AlN陶瓷作为一种新型电子器件封装材料，具有高导热率和强度、低热膨胀系数和介电损耗、耐高温和耐化学腐蚀、绝缘性好、无毒环保等优点。因此被国内外一致认为是最有发展前景的陶瓷材料之一。

氮化铝陶瓷基板作为高功率、高引线、大尺寸芯片封装的理想材料，其导热性能一直是业界关注的焦点。目前商用AlN衬底的导热系数与其理论导热系数还有很大差距。因此，在降低AlN陶瓷的烧结温度的同时，提高AlN陶瓷基板更高的热导率对于电子器件的快速发展具有重要意义。

为了制备具有更高导热系数的氮化铝衬底，有必要研究哪些因素影响导热系数。

热传导机制

导热系数，是导热材料最重要的性能之一，衡量导热能力。它是共价化合物，内部没有自由移动的电子，因此以晶格振动的形式实现热量的传递，称为声子传热。晶体的高温部分能量高，低温部分能量低。通过声子之间的相互作用，能量从高处转移到低处，能量的迁移导致热量的传导。

声子传热

晶格内部的原子被视为小球，它们通过弹簧（共价键）相互连接，因此每个原子的振动必须拉动周围的原子，使其以弹性波的形式穿过晶体。这种晶格振动产生称为声子的能量量子，声子相互作用以传递振动，从而实现能量迁移和热传递。

声子传热中的热导率 K 的关系由下式给出：

上述c为陶瓷体本身的热容量，v为声子运动的平均速度，λ为声子的平均自由程。材料本身的热容（c）接近恒定，氮化铝的热容大是氮化铝导热系数高的原因之一。声子速度（v）仅与晶体密度和弹性力学性能有关，也可以认为是一个常数，因此声子的传播距离，是影响最终宏观铝导热性能的关键氮化物陶瓷。

因此，从声子在氮化铝内部的导热机理可知，要获得高导热率，就必须使声子传播得更远，以降低传播阻力，而传播阻力一般来自于声子扩散过程中的各种散射。烧结陶瓷通常存在各种晶体缺陷、杂质、孔隙率以及内部引入的第二相，其作用是散射声子，从而影响最终的导热率。

影响导热系数的关键因素

经过不断研究证实，在影响AlN陶瓷导热系数的众多因素中，AlN陶瓷的微观结构和氧杂质含量尤为突出。

(1)AlN陶瓷的微观结构对导热系数的影响。

在实际应用中，常在AlN中添加各种烧结助剂来降低烧结温度。同时，AlN晶格中引入了第二相，由于热传导过程中声子的散射，导致热导率下降。

添加烧结助剂引入的第二相可以有多种形式出现：从分布来看，可分为岛状分布和晶界连续分布；从分布位置来看，可分为晶界三角形分布和晶界其他位置分布。连续分布的晶粒可以提供更直接的声子接触，并且与AlN晶粒直接接触比孤立的AlN晶粒具有更高的导热率，因此第二相连续分布更好；分布在晶界三角形的AlN陶瓷在导热时产生的干涉散射较小，且AlN晶粒之间能保持接触，因此第二相连续分布较好；分布在晶界三角形处的AlN陶瓷在热传导过程中产生的干涉散射较小，并且能够保持AlN晶粒之间的接触，因此第二相分布在晶界三角形处较好。

Aln晶体内第二相分布示意图

此外，相似晶界的不均匀分布导致大量孔隙的存在，阻碍了声子的散射，导致AlN的热导率下降。晶界含量、晶界尺寸和孔隙率也对导热性能有影响。

因此，在AlN陶瓷的烧结过程中，可以通过提高烧结温度、延长保温时间、热处理等手段改善烧结工艺，改善晶体内部缺陷，提高AlN陶瓷的导热性能。使第二相连续分布并尽可能位于三角晶界。

(2)氧杂质对导热系数的影响。

AlN极易发生水解和氧化，导致氮化铝表面氧化，导致氧固溶体中的铝空位缺陷进入AlN晶格。它会导致声子散射的增加、平均自由程的减小以及随之而来的热导率的降低。

AlN晶格中的氧含量和热导率

因此，为了提高热导率，添加合适的烧结助剂去除晶格中的氧杂质是一种有效的途径。

烧结的关键控制元件

AlN是共价化合物，原子自扩散系数小，键能强，难以致密烧结。其熔点高达3000℃以上，烧结温度甚至高于1900℃。如此高的烧结温度严重限制了AlN在工业上的实际应用。

另外，AlN表层的氧杂质只有在高温时才开始向晶格内部扩散，因此低温烧结还有另一个作用，即延缓表层的氧杂质向晶格内部的扩散。烧结过程中AlN晶格内部结构发生变化，减少晶格中的氧杂质，因此低温烧结技术的研究对于制备高导热AlN陶瓷材料势在必行。

目前，业界对AlN陶瓷的烧结方式有多种，可以根据实际需要采用不同的烧结方式来获得致密的陶瓷坯体。无论采用哪种烧结方法，对原始AlN粉末进行细化并添加合适的低温烧结添加剂都可以有效降低 氮化铝陶瓷的烧结温度。 

(1)采用小粒径氮化铝粉末

氮化铝烧结过程的驱动力是表面能，细晶AlN粉末可以增强烧结过程是表面能，细晶AlN粉末可以增强烧结活性，增加烧结驱动力，加速烧结过程。研究证实，当原始AlN粉末的起始粒径缩小20倍时，陶瓷的烧结速率将提高147倍。

烧结原料应选择粒度小、分布均匀的氮化铝粉末，可防止二次再结晶，内部颗粒大易出现异常晶粒长大，不利于致密化烧结；如果颗粒分布不均匀，则在烧结过程中容易出现个别晶体异常生长，影响烧结。

氮化铝晶粒长大

有时氮化铝陶瓷的烧结机理会受到原始粉末尺寸的影响。微米级氮化铝粉末根据体扩散机制进行烧结，而纳米级粉末根据晶界扩散或表面扩散机制进行烧结。

然而，目前细小均匀的AlN粉末的制备难度很大，大多采用湿化学法结合碳热还原法制备，不仅烧结过程复杂，而且能耗较高，且存在一定的难度。大规模推广应用还存在一定的局限性。国内小粒径高性能氮化铝粉体供应仍十分紧缺。

(2)氮化铝陶瓷低温烧结添加剂的选择

通过在烧结过程中添加一些低熔点烧结添加剂，可以产生液相，促进致密烧结。另外，一些烧结添加剂不仅能生成液相，还能与晶格中的氧杂质发生反应，可以起到去除氧杂质净化晶格的作用，从而提高AlN陶瓷的导热系数。

烧结添加剂作用过程示意图

但烧结助剂不宜盲目添加，添加量要适当，否则可能产生不利影响。烧结添加剂引入了第二相，第二相的分布控制对导热系数有很大影响。

经研究，在AlN陶瓷低温烧结添加剂的选择上应参考以下几点：

1)添加剂熔点低，能够在较低的烧结温度下形成液相，并通过液相促进烧结；

2）添加剂可以与Al2O3反应，去除氧杂质，净化AlN晶格，从而提高导热系数；

3）添加剂不与AlN发生反应，避免缺陷的产生；

4）添加剂不会引起AlN分解氧化生成Al2O3和AlON，避免氮化铝陶瓷导热系数急剧下降。

被发现适合作为烧结添加剂的材料是不与AlN反应的Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、SrO2、La2O3、HfO2和CeO2，以及一些稀土金属和碱土金属的氟化物和少数具有还原性的化合物（CaC2、YC2、TiO2、ZrO2、TiN等）。

单独使用单一烧结添加剂，在常压下烧结通常需要高于1800℃的温度。采用复合添加剂并设计合理的添加剂及配比，可以进一步有效降低烧结温度，也是目前氮化铝低温烧结常用的方法。

概括

氮化铝陶瓷基板电子封装领域的应用越来越广泛，国内也有一些企业在此领域建厂，不过，相比海外市场早已临近的红海，我国氮化铝陶瓷基板的发展还很缓慢。目前还处于起步阶段，在高性能粉末和高导热基材的制备和生产方面还具有一定的差距。深入了解材料的作用机理，从根本上对症下药，才能使我国陶瓷基板产业更上一个台阶。

参考：

高导热AlN陶瓷基板的制备及大功率LED封装， 李宏伟，中国计量大学教授。

本文转载自360powder.com。