氮化铝综述

AlN陶瓷

0909404045 糜宏伟摘要：氮化铝陶瓷的结构性能，制备工艺即粉末的合成,成形,烧结几个方面详细介绍了氮化铝陶瓷的研究状况，指出低成本的粉末制备工艺和氮化铝陶瓷的复杂形状成形技术是目前很有价值的氮化铝陶瓷的研究方向。

关键词：氮化铝陶瓷制备工艺应用

氮化铝(AlN)是一种具有六方纤锌矿结构的共价晶体，晶格常数a＝3.110Å，c=4.978Å。Al 原子与相邻的N 原子形成歧变的［AlN4］四面体，沿c 轴方向

Al-N 键长为1.917Å，

另外3 个方向的Al-N 键长为1.885Å。AlN 的理论密度为3.26g/cm3。氮化铝陶瓷综合性能优良，非常适用于半导体基片和结构封装材料。在电子工业中的应用潜力非常巨大。另外氮化铝还耐高温，耐腐蚀，不为多种熔融金属和融盐所浸润。因此，可用作高级耐火材料和坩埚材料也可用作防腐蚀涂层，如腐蚀性物质的容器和处理器的里衬等，粉末还可作为添加剂加入各种金属或非金属中来改善这些材料的性能，高纯度的氮化铝陶瓷呈透明状，可用作电子光学器件，还具有优良的耐磨耗性能，可用作研磨材料和耐磨损零件。

1 粉末的制备

AlN粉末是制备AlN陶瓷的原料。它的纯度，粒度，氧含量及其它杂质含量，对制备出的氮化铝陶瓷的热导率以及后续烧结，成形工艺有重要影响。一般认为，

要获得性能优良的AlN陶瓷材料，必须首先制备出高纯度，细粒度，窄粒度分布，性能稳定的AlN粉末。目前，氮化铝粉末的合成方法主要有3种：铝粉直接氮化法，碳热还原法，自蔓延高温合成法。其中，前2种方法已应用于工业化大规模生产，自蔓延高温合成法也开始在工业生产中应用。

1.1 铝粉直接氮化法

直接氮化法就是在高温氮气氛围中，铝粉直接与氮气化合生成氮化铝粉末，反应温度一般在800~1200℃化学反应式为：

铝粉直接氮化法优点是原料丰富，工艺简单，适宜大规模生产。目前已经应用于工业生产。但是该方法也存在明显不足，由于铝粉氮化反应为强放热反应，反应过程不易控制，放出的大量热量易使铝形成融块，阻碍氮气的扩散，造成反应不完全，反应产物往往需要粉碎处理，因此难以合成高纯度，细粒度的产品。

1.2 碳热还原法

碳热还原法的是将氧化铝粉末和碳粉的混合粉末在高温下1400~1800℃的流动N2气中发生还原氮化反应生成AlN粉末，反应式为：

为了提高反应速度和转化率，一般要求加入过量的碳。反应后过量的碳可在600~700℃的空气中氧化除去。该方法的优点是合成粉末纯度高，性能稳定，粉末粒度细小均匀，具有良好的成形，烧结性能，但该反应进行的温度高，合成时间长，同时需要二次除碳工艺。因此，工艺复杂，成本高。许多研究表明，碳热还原法合成氮化铝粉末的质量和氮化温度与原料的种类和性能密切相关，采用不同种类的原料，氮化温度相差可达200℃

1.3 自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法是近年来发展起来的一种新型的氮化铝粉末制备方法。其实质就是铝粉的直接氮化。它充分利用了铝粉直接氮化为强放热反应的特点，将铝粉于氮气中点燃后，利用Al与N2之间的高化学反应热使反应自行维持下

去，合成AlN，它的反应式仍为：

.

自蔓延高温合成法反应速度快，合成时间短，无需外部电源加热，因此能耗少，生产效率高，成本低。目前。该方法已开始在工业生产中应用。其主要缺点与铝粉直接氮化法相似，由于反应速度太快，反应产物易结块，反应不完全，难以制备高质量的粉末。

2AlN陶瓷的成型及烧结

AlN粉末的成形工艺有多种，传统的成形工艺诸如模压，热压，等静压等均适用。由于AlN粉末的亲水性强，为了减少AlN的氧化，成形过程中应尽量避免与水接触。另外，热压，等静压虽然适用于制备高性能的块体AlN瓷材料，但成本高、生产效率低，无法满足电子工业对AlN陶瓷基片用量日益增加的需求。为了解决这一问题，近年来人们研究采用流延法成形AlN陶瓷基片。流延法也已成为电子工业用AlN陶瓷基本的主要成形工艺。

AlN 陶瓷的导热机理属声子导热，在烧结过程中，氧进入AlN 晶格形成固溶体，伴着形成铝空位、位错等结构缺陷，显著降低了声子的平均自由程，导致热导率降低，同时晶界相的组成、含量与分布，气孔的含量与分布以及晶粒分布的均匀程度等显微结构因素对AlN 陶瓷的热导率也有较大影响。

传统的成型工艺有模压、热压、静压，目前人们已研究采用流延法成型氮化铝陶瓷基片，该法具有可连续操作，生产效率高，适宜工业生产，但只适宜成型片状材料。目前国内外已开始研究AlN 陶瓷的注射成型工艺，它将为AlN 陶瓷的应用开创一个新的局面。

AlN 由于自扩散系数小，烧结非常困难，通过以下3种途径可获得致密的高性能AlN 陶瓷：(1)使用超细粉，因超细粉制备困难，成本高，通常商业AlN 粉无法满足要求；(2)热压或热等静压烧结，适用于制备高性能的AlN 块体陶瓷，但对AlN 流延基片与金属浆料的多层共烧有很大局限性，不适用于电子封装基本的生产；(3)引入烧结助剂，工艺上易于实现，成本低，适用于流延成型和无压烧结，有可能获得低成本，高性能的AlN 陶瓷，为众多国内外研究人员所采用，AlN 常用烧结助剂是一些稀土氧化物和碱土金属氧化物，Y2O3、CaO、CaF

等。助烧结剂主要起两方面作用，一是形成低熔物相，实现液相烧结，促进坯体致密化，另一方面，高热导是AlN 陶瓷的重要性能，而实际AlN 陶瓷中由于存在各种缺陷，热导率远低于其理论值319W/(m·K)，氧杂质是形成缺陷的主要原因，助烧剂的另一个作用就是与AlN 中的氧杂质反应，使晶体完整化，进而提高热导率。

3应用与展望

氮化铝陶瓷基片，热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高，介电损耗小，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料。利用AIN陶瓷耐热耐熔体侵蚀和热震性，可制作GaAs晶体坩埚、Al蒸发皿、磁流体发电装置及高温透平机耐蚀部件，利用其光学性能可作红外线窗口。氮化铝薄膜可制成高频压电元件、超大规模集成电路基片等。氮化铝耐热、耐熔融金属的侵蚀，对酸稳定，但在碱性溶液中易被侵蚀。AIN新生表面暴露在湿空气中会反应生成极薄的氧化膜。利用此特性，可用作铝、铜、银、铅等金属熔炼的坩埚和烧铸模具材料。AIN陶瓷的金属化性能较好，可替代有毒性的氧化敏瓷在电子工业中广泛应用

氮化铝(AlN)陶瓷具有优异的综合性能，是近年来受到广泛关注的新一代先进陶瓷，在多方面都有广泛的应用前景。如AlN 陶瓷基板在功率混合电路及微组装件，微波器件、电力电子器件、半导体致冷堆等

由于具有优良的热、电、力学性能，氮化铝陶瓷引起了国内外研究者的广泛关注。随着现代科学技术的飞速发展，对所用材料的性能提出了更高的要求。氮化铝陶瓷也必将在许多领域得到更为广泛的应用，虽然多年来通过许多研究者的不懈努力，在粉末的制备、成形、烧结等方面的研究均取得了长足进展。但就目前而言，氮化铝的商品化程度并不高，这也是影响氮化铝陶瓷进一步发展的关键因素。为了促进氮化铝研究和应用的进一步发展，必须做好下面两个研究工作：（1）研究低成本的粉末制备工艺和方法。目前，制约氮化铝商品化的主要因素就是价格问题。若能以较低的成本制备出氮化铝粉末，将会大大提高其商品化程度。高温自蔓延法和低温碳热还原合成工艺是很有发展前景的粉末合成方法。二者具有低成本和适合大规模生产的特点。（2）研究复杂形状的氮化铝陶瓷零部件的净近成形技术如注射成形技术等，它对充分发挥氮化铝的性能优势，拓宽它的