氮化鋁陶瓷

氮化鋁（AlN）為六方晶型，純AlN呈藍白色，通常為灰色或灰白色。作為一種綜合性能優良的新型陶瓷材料，氮化鋁陶瓷具有優良的熱傳導性，可靠的電絕緣性，低的介電常數和介電損耗，無毒以及與硅相匹配的熱膨脹系數等一系列優良特性，被認為是新一代高集成度半導體基片和電子器件封裝的理想材料。本文就AlN材料的制備及應用做簡要介紹。

氮化鋁陶瓷的制備方法

同其它陶瓷材料的制備工藝基本相似，共3個制備過程：粉體的合成、成型、燒結。

1. AlN粉體的制備

氮化鋁粉末作為制備最終陶瓷成品的原料，其純度、粒度、氧含量以及其它雜質的含量都對后續成品的熱導性能、后續燒結，成形工藝有重要影響，是最終成品性能優異與否的基石。氮化鋁粉體的合成方法有以下幾種：

①直接氮化法：在高溫氮氣氛圍中，鋁粉直接與氮氣化合生產氮化鋁粉末，反應溫度一般在800℃~1200℃。

②碳熱還原法：將氧化鋁粉末和碳粉的混合粉末在高溫下（1400℃~1800℃）的流動氮氣中發生還原氮化反應生成AlN粉末。

③自蔓延高溫合成法：該方法為鋁粉的直接氮化，充分利用了鋁粉直接氮化為強放熱反應的特點，將鋁粉于氮氣中點燃后，利用鋁和氮氣之間的高化學反應熱使反應自行維持下去，合成AlN。

④化學氣相沉積法：利用鋁的揮發性化合物與氮氣或氨氣反應，從氣相中沉淀析出氮化鋁粉末；根據選擇鋁源的不同，分為無機物（鹵化鋁）和有機物（烷基鋁）化學氣相沉積法。[1]

表1.氮化鋁粉末常見的制備方法及優缺點

2.AlN的成型工藝

氮化鋁粉末的成型工藝有很多種，傳統的成型工藝諸如模壓、熱壓、等靜壓等均適用。由于氮化鋁粉末的親水性強，為了減少氮化鋁的氧化，成型過程中應盡量避免與水接觸。另外，熱壓、等靜壓雖然適用于制備高性能的塊體氮化鋁瓷材料，但成本高、生產效率低，無法滿足電子工業對氮化鋁陶瓷基片用量日益增加的需求。為了解決這一問題，近年來人們采用流延法成型氮化鋁陶瓷基片。流延法也已成為電子工業用氮化鋁陶瓷基本的主要成型工藝。[1]

氮化鋁陶瓷的應用

1.AlN作為基片材料

大多數陶瓷是離子鍵或共價鍵極強的材料，具有優異的綜合性能，是電子封裝中常用的基片材料，具有較高的絕緣性能和優異的高頻特性，同時線膨脹系數與電子元器件非常相近，化學性能非常穩定且熱導率高。1985年~1988年期間興起了氮化鋁在微電子包封材料方面的應用。原來長期絕大多數大功率混合集成電路的基板材料一直沿用氧化鋁和氧化鈹陶瓷，但氧化鋁基本的熱導率低，熱膨脹系數和硅不太匹配；氧化鈹雖然具有優良的綜合性能，但其較高的生產成本和劇毒的缺點限制了它的應用推廣。因此，從性能、成本和環保等因素考慮，二者已不能完全滿足現代電子功率器件發展的需要。

2.AlN作為電子膜材料

電子薄膜材料是微電子技術和光電子技術的基礎，因而對各種新型電子薄膜材料的研究成為眾多科研工作者關注的熱點。氮化鋁于19世紀60年代被人們發現可作為電子薄膜材料，并具有廣泛的應用。近年來，以ⅢA族氮化物為代表的寬禁帶半導體材料和電子器件發展迅猛，被稱為繼以Si為代表的第一代半導體和以GaAs為代表的第二代半導體之后的第三代半導體。AlN作為典型性的ⅢA族氮化物得到了越來越多國內外科研人員的重視。[2]

3.AlN作為坩堝或耐火材料的涂層

氮化鋁所具有的耐腐蝕性能，可被熔融鋁浸潤但不能與之反應，包括銅、鋰、鈾、鐵在內的化合物合金以及一些超耐熱合金；并且氮化鋁對碳酸鹽、低共熔混合物、氯化物、冰晶石等許多熔鹽穩定。因此可以被制成坩堝或耐火材料的涂層。

氮化鋁可用作真空蒸發和熔煉金屬的容器，特別適于真空蒸發Al的坩堝，AlN在真空中加熱雖然蒸氣壓低，但即使分解，也不會污染鋁。AlN也可以作熱電偶保護套，在空氣中800~1000℃鋁池中連續浸泡3000h以上也沒有侵蝕破壞。在半導體工業中，用AlN坩堝代替石英坩堝合成砷化鎵，可以完全消除Si對砷化鎵的污染而得到高純產品。[3]

氮化鋁的多種優異性能決定了其多方面應用，作為壓電薄膜，已經被廣泛應用；作為電子器件和集成電路的封裝、介質隔離和卷圓材料，有著重要的應用前景；作為藍光、紫外發光材料也是目前的研究熱點；作為高聚物材料，可用來固定模具、制作膠黏劑、熱潤滑脂和散熱墊……經過市場的進一步拓展開發，氮化鋁陶瓷材料的應用范圍將會越來越廣。