AlN 陶瓷的性能及应用

丁利文, 范桂芬, 李镜人, 姚宜峰, 吕文中华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074



AlN 陶瓷的性能及应用

丁利文, 范桂芬, 李镜人, 姚宜峰, 吕文中
华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074

摘 要：AlN陶瓷具有高硬度、与硅相接近的线膨胀系数、高电阻率、低介电常数、低介电损耗以及无毒、耐高温、耐腐蚀等特性, 力学性能良好, 在电子、机械、复合材料等领域有着广泛的应用。尤其是因为具有高热导率, AlN陶瓷已经成为理想的半导体基板和封装材料之一。本文回顾了AlN陶瓷的发展历程, 着重评述了AlN陶瓷的制备技术、性能及应用等方面的研究进展, 并对其面临的技术困难及发展方向进行了展望。

关键词：AlN陶瓷；制备工艺；热导率

随着大功率和超大规模集成电路的发展, 集成电路的高度密集化导致单位面积的电子元器件的发热量急剧增加, 如果不解决基板的散热问题, 电子元件将难以正常工作。这样就要求基板材料具有高的热导率, 同时兼具较高的电阻率。传统的基板材料有Al2O3陶瓷和BeO陶瓷, 但是Al2O3陶瓷基板热导率很低 (～20 W·m-1·K-1), 线膨胀系数与Si不太匹配；纯度为99% 以上, 致密度达99% 以上的BeO陶瓷, 其室温下的热导率可达310 W·m-1·K-1, 但是生产成本高且具有剧毒, 因而限制了它的推广和应用[1-3]。AlN陶瓷是一种新型的高导热材料, 其基本性能参数如表1为所示。AlN陶瓷理论导热率高达320 W·m-1·K-1(是Al2O3的5～8倍), 实际使用的AlN陶瓷热导率为180 W·m-1·K-1～200 W·m-1·K-1。同时AlN陶瓷的硬度较高, 热膨胀系数 (25°C～200°C时为4.0 × 10-6/°C) 与硅接近(25°C时为3.4 × 10-6/°C), 体电阻率较高 (25°C时体电阻率大于1014Ω·cm), 介电常数低、介电损耗小, 此外该材料无毒, 耐高温耐腐蚀, 其综合性能优于氧化铝和氧化铍, 是新一代半导体基片和电子器件封装的理想材料[3,4]。

对AlN陶瓷的最早报道见于1862年[5], 当时AlN是作为化肥使用。20世纪50年代又作为耐火材料用于一些金属的熔炼[6]。随着粉末冶金技术的发展以及对AlN陶瓷的深入研究, 到20世纪70年代, 氮化铝的制备工艺才日趋成熟[7]。20世纪90年代以后,科研工作者对AlN进行研究, 通过添加

第一作者： 丁利文 (1992 -), 女, 湖北武汉人, 硕士研究生。E-mail:505361868@qq.com。

本文对AlN陶瓷的制备技术、应用以及性能研究进行了综述, 并对目前AlN陶瓷在制备技术方面存在的困难作了简单的总结和展望,以期对AlN陶瓷的研究及应用起到促进作用。

1　AlN陶瓷的制备技术

制备AlN陶瓷的过程中, 不同工艺对陶瓷的性能也有不同影响。其中原料、成型工艺、助烧剂、烧结气氛及烧结方式等影响较为显著。

表1　AlN陶瓷的基本性能参数Table 1 Basic performance parameters of AlN ceramics

图1　高功率应用的氮化铝陶瓷基板和封装[9,10]Figure 1 High power applications of aluminum nitride ceramic substrates and packages[9,10]

图2　透明AlN陶瓷[11]Figure 2 Transparent AlN ceramic[11]

1.1 AlN原料的影响

AlN陶瓷的性能与原始粉料的纯度有着直接关系。AlN陶瓷的导热机制是声子传导, 晶格的缺陷、气孔和杂质都会对声子产生散射, 从而降低AlN陶瓷的热导率[12]。细小的粉末粒度和狭窄的粒度分布是提高AlN烧结性能的关键[13]。

梁秀红等人的研究[14]发现, 初始氧含量低的AlN粉体, 烧结后得到的最大热导率相对较高；随着氧含量的增加, 可达到的最大热导率逐渐降低。因而, 选择纯度高、杂质含量少、粉末粒度细且活性高的AlN粉末是制备出性能良好的AlN陶瓷的前提。

1.2 烧结助剂的影响

氮化铝是Al-N二元系中唯一稳定的化合物, 属六方晶系中的纤锌矿结构, 其原子间是以四面体配置的强共价键结合, 自扩散系数小, 很难烧结致密, 通常需要添加稀土金属氧化物和碱土金属氧化物作为助烧剂来促进烧结。

引入烧结助剂主要有两个方面作用：(1) 促进AlN陶瓷致密化。使用烧结助剂可以在较低温度产生液相, 润湿晶粒, 从而达到致密化。(2) 净化晶格。AlN对氧有很强的亲和力, 氧进入晶格产生铝空位, 降低了声子的平均自由程, 热导率因而降低。适合的添加剂可以有效与晶格中氧反应生成第二相, 净化晶格, 提高热导率[15]。图3为烧结助剂对AlN陶瓷热导率影响机制的示意图[9]。

AlN陶瓷烧结常用的烧结助剂是某些稀土金属和碱土金属氧化物, 如Y2O3、CaO、Dy2O3、CaF2、YF3、Sm2O3、Li2O等。表2列出了一些研究中所报道的无压烧结AlN陶瓷常用的烧结助剂种类、烧结温度以及相应得到的材料热导率数据。可以看出, 选择不同的烧结助剂、不同的烧结温度, 得到的AlN的热导率差异很明显。因而, 烧结助剂的选择对制备高热导率AlN陶瓷尤为重要。

图3　烧结助剂对AlN陶瓷热导率的影响机制[9]Figure 3 Illustration showing the effect of sintering additives on the thermal conductivity of AlN ceramics[9]

表2　无压烧结AlN陶瓷常用的烧结助剂种类、烧结温度及热导率Table 2 Sintering aids, sintering temperature and thermal conductivity of pressureless sintered AlN ceramics

表3　制备AlN陶瓷常用的成型工艺[21.23]Table 3 Common molding process for the preparation of AlN ceramics[21,23]

1.3 AlN陶瓷的成型工艺

AlN陶瓷的成型方法有很多, 包括干压、等静压、流延成型及粉末注射成型等。根据不同的制备要求以及工艺流程难易程度, 需选择合适的成型方法。表3对AlN陶瓷几种常用成型技术的优缺点进行了简单的对比。

1.3.1 干压成型：干压成型是在粉料加入少量的结合剂进行造粒, 然后将造粒后的粉料置于钢模中, 在压片机上加压形成一定形状的坯体。干压成型具有工艺简单、周期短、效率高等特点, 但是干压成型制备的坯体密度不均匀, 会产生开裂、分层等现象[21]。

1.3.2 等静压成型：等静压成型是将坯料装入弹性模具, 置于高压容器内利用高压液体介质传递压力对坯体加压[21]。等静压成型可以生产形状复杂的AlN陶瓷, 成型压力高, 坯体密度高且均匀。但由于成本高、生产效率低, 等静压成型无法满足工业批量生产的要求。

Watari等[22]以YLiO2和CaO为助烧剂, 采用等静压成型法制得坯体, 在1600°C烧结6 h, 获得的AlN陶瓷密度高达3.26 g/cm3, 热导率达170 W·m-1·K-1。

1.3.3 流延成型：流延成型是将AlN粉料、烧结助剂、粘结剂、溶剂混合均匀制成浆料, 成型时浆料从料斗下面流至载带上, 通过载带和刮刀的相对移动形成素坯膜[21,23]。流延法只适宜制作片状材料, 无法实现AlN陶瓷复杂形状的成型。

吴音等[24]以Dy2O3和B2O3为助烧剂, 采用流延成型工艺制成素坯, 并在1650°C下烧结4 h获得AlN基片, 其热导率高达130 W·m-1·K-1。B2O3能以过渡液相的形式促进烧结, 而Dy2O3在低温下具有较好的去除AlN晶格氧的能力。此外, Dy2O3与B2O3能形成低共熔点 (1328°C), 并能溶解AlN表面的Al2O3, 从而促进烧结过程进行

1.3.4 粉末注射成型：粉末注射成型是一种新的成型工艺, 适合制作形状复杂、精度要求高的陶瓷材料。其基本过程为：将AlN粉体与粘接剂按一定比例混合均匀, 经过造粒后在注射成型机上成型素坯, 再经过脱脂、烧结, 最终获得所需产品[22]。

秦明礼等[25]在注射压力为60 MPa～70 MPa、注射温度为160°C～170°C条件下, 采用热脱脂方式脱胶, 制得了热导率达232.4 W·m-1·K-1的AlN陶瓷。

1.4AlN陶瓷的烧结技术

烧结过程是陶瓷制备的一个重要阶段, 直接影响陶瓷的显微结构如晶粒尺寸与分布、气孔率和晶界体积分数等。因此陶瓷的烧结技术成为制备高质量陶瓷的关键技术。

AlN陶瓷常用的烧结技术有无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结等。表4对AlN陶瓷几种常用烧结技术的优缺点进行了简单的对比。

表4　制备AlN陶瓷常用烧结技术[3,26-28,35]Table 4 Common sintering technology for the preparation of AlN ceramics[3,26-28,35]

1.4.1无压烧结：无压烧结是AlN陶瓷烧结中最简单也是最常用的一种方法, 一般烧结温度在1600°C～2000°C之间[21]。

Liu等[26]以YF3-CaF3为烧结助剂, 在氮气保护下1650°C烧结制得了热导率为187 W·m-1·K-1的AlN陶瓷。YF3-CaF3在烧结过程中与Al2O3反应并形成第二相, 最终移动到晶界位置, 净化AlN晶格的同时促进了烧结体致密化, 从而提高AlN陶瓷的热导率。Watari等[20]使用复合助剂Y2O3、CaO和Li2O, 在1600°C保温2 h, AlN烧结体体密度即达到3.3 g/cm3；保温6 h后, AlN试样的热导率达到135 W·m-1·K-1。在最终的AlN烧结体中并没有发现Li2O。这是因为：Li2O在低温下先与AlN粉体表面的Al2O3形成过渡液相, 浸润晶粒, 从而有效地降低烧结温度；而后, Li2O在1300°C～1600°C挥发, 最终在陶瓷中不会引入更多的第二相, 是理想的低温无压烧结助剂。

1.4.2热压烧结：热压烧结是对装入模具的粉体同时加热加压, 使粉料处于热塑性状态, 从而产生两种特殊的传质过程, 即晶界滑移和挤压蠕变传质[27]。这两种传质过程在普通烧结过程中基本是不存在的, 有助于颗粒的接触扩散和流动传质过程的进行, 从而降低烧结温度和气孔率。

黄小丽等[28]以Y2O3-CaF2和 Y2O3-Li2O为助烧剂, 在流动氮气保护下, 在25 MPa压力、1650°C保温6 h后炉冷, 分别制备出了密度和热导率分别为3.276 g/cm3、196 W·m-1·K-1及3.270 g/cm3、178 W·m-1·K-1的AlN陶瓷。Jackson[29]等以镧系氧化物为烧结助剂, 研究了热压烧结AlN陶瓷过程的动力学、热力学以及微观结构对陶瓷热导率的影响, 结果显示：在1850°C保温100 min烧出的陶瓷热导率为150 W·m-1·K-1～184 W·m-1·K-1；而将保温时间延长到1000 min时, 得到的AlN陶瓷热导率超过了200 W·m-1·K-1。

高压烧结可以称之为热压烧结的一种特殊形式, 它不同于常规热压烧结之处在于陶瓷坯体高温烧结时施加的外来压力更高, 一般要大于1.0 GPa。在这样的高压下进行烧结, 不仅能够使材料迅速达到高致密度, 而且有可能使得晶体结构甚至原子、电子状态发生变化, 从而赋予材料在无压烧结或热压烧结工艺下所达不到的性能。

李小雷等[30]在不添加烧结助剂的情况下, 用国产六面顶压机, 在5.0 GPa、1300°C～1800°C下高压烧结制备了AlN陶瓷。结果表明, 1300°C烧结50 min制备的AlN陶瓷相对密度达94.8%, 1400°C烧结50 min制备的AlN陶瓷相对密度达97.9%。与传统工艺相比, 烧结温度降低了300°C。

最近, Feng等[31]研究出一种新的烧结方式 ¾¾ 振动热压烧结。它是在常规热压基础上加上一个振动部件, 使得烧结过程压力的施加具有一个振幅和频率。在振动压力作用下, 粉料颗粒更容易克服相互之间的摩擦力。他们在1750°C条件下制得了致密且热导率达171 W·m-1·K-1的AlN陶瓷。

1.4.3放电等离子烧结：放电等离子烧结 (Spark Plasma Sintering, SPS) 是一种利用脉冲电流产生的脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结的方法[27]。它的优点在于快速升温可以有控制晶粒的异常长大, 但缺点是得到的产品尺寸小、形状简单, 而且保温时间短。

Kobayashi等[32]使用复合助剂以及SPS烧结方式, 在1550°C得到致密的AlN陶瓷。Nishimura 等[33]采用SPS烧结方式, 得到了热导率接近150 W·m-1·K-1的陶瓷试样。黄林芸等[34]使用SPS烧结, 在1700°C, 以Sm2O3为助烧剂烧结试样相对密度为99.33%, 同时以Y2O3为助烧剂, 相对密度达到99.08%。这些研究表明, SPS烧结可以快速烧结AlN陶瓷, 而且可以在一定程度上降低烧结温度。

1.4.4 微波烧结：微波烧结是通过物质吸收微波的能量而进行自身加热, 其加热过程在坯体整个体积内同时进行, 升温迅速、温场均匀[3]。此外, 微波烧结本身也是一种活化烧结的过程, 因此整个加热烧结的时间特别是高温反应期大大缩短[35]。这些特点有利于提高致密化速度并可有效抑制晶粒生长, 从而获得常规烧结方法无法实现的独特的性能和结构, 因此具有良好的发展前景。

曾小锋等[35]采用微波烧结, 以Y2O3为助烧剂, 在1720°C保温120 min快速烧结获得了致密的AlN陶瓷。与传统烧结相比, AlN陶瓷的微波烧结效率高, 节能优势明显。

1.5AlN陶瓷制备技术中存在的主要困难

目前, AlN陶瓷的研究虽然已经取得了可喜的成绩, 但要实现工业化、经济环保的生产目标, 还有许多技术难题需要去解决。总的说来, AlN陶瓷制备技术的发展主要面临以下几个难点:(1) AlN陶瓷的烧结助剂种类有限, 而且使用单一的助剂很难得到致密陶瓷, 多元助剂影响复杂, 目前通常使用的助剂还不能制备出综合性能良好的AlN陶瓷, 新的助剂尚未有大的突破；(2) AlN的烧结温度高,常规烧结炉难以达到烧结温度要求；(3) 各种复杂形状以及大尺寸的AlN陶瓷制备技术尚不完善；(4) AlN陶瓷常采用热压或等离子体放电烧结方式, 造成生产成本高, 实现大规模工业化难度较大。因此, 关于AlN陶瓷制备技术的研究仍然是任重道远。

2　AlN陶瓷的特性及应用

AlN具有优良的综合性能 (以其高热导率最为显著), 被广泛用于电子、机械等各个方面。由于AlN很难烧结, 各国科研工作者通过添加助烧剂的方法等制备出致密化的AlN陶瓷, 并对其热导率、电阻率、介电性能、光学性能等性能进行了深入研究。

2.1 热导率

AlN的理论热导率高达320 W·m-1·K-1, 是Al2O3的5～10倍。其热膨胀系数与Si的热膨胀系数相匹配, 是高功率电子陶瓷基板的理想材料[36,37]。在电子行业中, 传统的Al2O3越来越难满足大规模集成电路的要求, 高热导率AlN陶瓷有望代替Al2O3担此重任。

Qiao等[38]以CaF2和 Y2O3为助烧剂, 在1650°C无压烧结得到体密度为3.26 g/cm3、热导率为148 W·m-1·K-1的AlN陶瓷。烧结过程中, CaF2、Y2O3和Al2O3反应生成Ca-Al-O、Y-Al-O、Ca-Y-Al-O等第二相, 同时低熔点的CaF2浸润晶粒促进致密化。图4示出了他们在1650°C无压烧结1 min后所制得的AlN陶瓷的显微结构形貌, 其中图4 (a) 所示样品的助烧剂为CaF2, 图4 (b) 所示样品的助烧剂为CaF2和Y2O3。可以看出, 只有一种烧结助剂的样品在1650°C时晶粒处于润湿状态, 气孔明显；而添加复合助剂的样品在同样的条件下晶粒生长完整, 气孔明显减少。

表5列出了一些研究中所报道的采用不同助烧剂、不同烧结方法在不同温度下制得的AlN陶瓷的相对密度和电导率数据。可以看出, 添加适当的烧结助剂有助于在低温下烧结出致密的AlN陶瓷(如采用SPS烧结, 在1650°C保温10 min即可获得致密的AlN陶瓷)；而提高烧结温度, 热导率也随之提高。

图4　1650°C无压烧结1min后获得的AlN陶瓷的显微结构形貌[38]：(a) 助烧剂为CaF2；(b) 助烧剂为CaF2和Y2O3Figure 3 Microstructures of AlN ceramics pressureless sintered at 1650°C for 1min:(a) CaF2as additive; (b) CaF2+ Y2O3as additives[38]

表5　以不同的烧结助剂和烧结方式制备的AlN陶瓷的相对密度及热导率Table 5 Relative density and thermal conductivity of AlN ceramics prepared with different sintering aids and sintering methods

2.2 电阻率

AlN陶瓷在室温下具有良好的电绝缘性 (室温电阻率为1014Ω·cm), 可以用作半导体基板材料和电子元器件的封装材料[3-4,37]。但是, 为了使AlN陶瓷在电子行业有更广泛的应用, 必须控制它的电阻率, 高电阻率AlN陶瓷适用于电子基板和封装材料, 低电阻率AlN陶瓷用于半导体器件[40]。

Yoshikawa等[41]以Sm2O3助烧剂, 在1700°C～1900°C温度范围内烧结AlN陶瓷, 得到的AlN陶瓷室温下电阻率为1010Ω·cm～1012Ω·cm。他们认为, 在烧结温度高于1800°C时, 在原料中加入1.0 wt%～2.9 wt% 的Sm2O3会形成Sm-β-氧化铝液相, 这一液相的电阻率比材料的体电阻率低, 从而导致材料总电阻率降低。Sakai等[42]以0.1 wt%～0.5 wt% Y2O3为助烧剂, 制得的AlN陶瓷在室温下的电阻率为1010Ω·cm。他们发现, 在添加含量范围内, Y2O3含量越高, AlN陶瓷的电阻率越高, 而烧结温度越低, 体电阻率越低。Lee等[43]在1900°C无压烧结AlN陶瓷, 以3 wt% CaF2为烧结助剂, 通过添加Al2O3来控制电阻率的大小。他们发现添加的Al2O3在晶界处形成无定形相, 可以增加晶界的电阻率。添加少量的Al2O3可以有效地和烧结助剂反应而促进液相烧结, 同时提高AlN陶瓷的热导率。如果Al2O3含量过高且固溶到AlN晶粒内, 导致氧缺陷含量增加, 则会降低AlN陶瓷的热导率。

2.3 光学特性

透明AlN陶瓷可用于光学器件, 如用来制造光和电磁波的高温窗口及耐热涂层[23]。

Nishimura等[33]以CaF2为助烧剂, 在1600°C以SPS方式烧结制得了光透过率为54.7% 的AlN透明陶瓷。Xiong等[11]以CaF2为助烧剂, 在1850°C热压烧结得到了透明AlN陶瓷。 Kuramoto等[37]则以CaO为烧结助剂, 在1600°C～2000°C制得了AlN透明陶瓷, 在可见光下光透过率达到70%～80%。目前国内对于AlN透明陶瓷的研究并不多。

2.4 介电性能

在高功率微波管中, 高热导率AlN陶瓷可作螺旋线行波管的输能窗和夹持杆、耦合腔行波管的损耗纽扣[8]。输能窗的作用是把行波管内部产生的能量送到外波导或者外部谐振腔, 而夹持杆的主要作用是方便行波管内部螺旋管的装卸, 并作为桥梁把螺旋管内部产生的热量传递到外部金属壳散发出去。因此理想的输能窗和夹持杆应具有介电常数低、介电损耗小、热导率高、机械性能好等特性。通过调整损耗纽扣的谐振频率, 可以对耦合腔行波管中某些容易产生自激振荡的频率点上的微波功率进行选择性衰减。

Zulfequar 等[44]研究了以CaO为助烧剂制备的AlN陶瓷的介电性能, 发现在高于450 K时, 介电常数和损耗随温度和频率急剧增大, 频率越低, 介电常数和损耗的变化越明显。Kume 等[45]研究了MgO作为助烧剂对AlN陶瓷介电损耗的影响, 他们发现在掺杂范围内, 随着MgO含量的增加, 样品损耗减小。Kume[46]同时还研究了Y2O3作为助烧剂对AlN损耗的影响, 发现借助于退火工艺可以有效降低损耗。进而, Kume[47]发现添加剂ZrO2含量对AlN的损耗影响较大, 当其含量超过0.1 mol% 时会导致损耗变大。Zhao等[48]以CaF2为助烧剂, 在1750°C～1900°C热压烧结AlN, 他们发现随烧结温度的升高, 样品的介电常数和损耗减小, 而随CaF2含量增加, 介电常数增大, 损耗减小。

AlN陶瓷还可作为微波衰减材料用于大功率微波电真空器件中。为实现衰减材料的高衰减量, 要求衰减材料的介电常数高且虚部可控。为实现这一目的, 研究人员通常在绝缘且热导率高的基体材料中均匀掺入起微波衰减作用的导电金属颗粒, 以有效提高金属-介质复合材料的介电性能。AlN陶瓷在高频下具有较高的介电常数 (在f = 2.4GHz时, εr= 8.1) 和热导率, 适合用作微波衰减材料[49-51]。

张艳等[49]以AlN和Mo为原料, 采用SPS烧结技术制备了AlN-Mo复合衰减材料, 研究了提高渗流阈值的方法和影响复合陶瓷介电性能的因素, 发现复合陶瓷的介电常数、损耗随Mo含量的增加而增大。于红等[51]以氮化铝和钼为原料、CaF2为烧结助剂, 在氮气气氛下无压烧结AlN-Mo复合陶瓷, 发现渗流阈值在Mo含量为23% 附近。王江源等[52]以AlN和W为原料, 采用SPS烧结技术, 在1400°C～1700°C条件下制备AlN-W复合陶瓷, 研究表明, 选择粒径较小的AlN粉末并增加烧结保温时间, 有利于提高复合陶瓷对微波的衰减性能。

2.5 其他特性

AlN陶瓷材料具有优异的耐腐蚀性能, 可被熔融铝浸润, 但不会与后者发生化学反应。此外, 它还能与其他许多金属在高温下共存, 因此是优良的坩埚材料, 也可用作腐蚀性物质的容器和处理器。

为了充分发挥高导热AlN陶瓷材料的优势, 可以通过制备AlN复相陶瓷, 拓展它在其他方面的应用[7,8]。

Jin等[53]以Y2O3为烧结助剂, 以热压的烧结方式, 在1850°C制得AlN/BN复相陶瓷, 发现随着BN含量的增加, 材料机械性能显著加强。Kim等[54]在1950°C热压烧结制备的SiC-AlN复相陶瓷, 密度达到99.9%, 同时在复相材料中, SiC相的电导率可以被有效控制。他们认为, 由于SiC陶瓷具有良好的机械性能而电绝缘性能较差, 因此结合SiC和AlN可制得性能优良的复合陶瓷材料。

尽管AlN陶瓷的机械性能相对较差, 但是目前也有一些关于机械性能的文献报道。Lee等[55]以CaZrO3和Y2O3为助烧剂, 在1500°C～1700°C两步无压烧结AlN陶瓷, 在1500°C实现了烧结致密。他们发现, 两步烧结的方式可以抑制晶粒生长, 增加热导率, 且因晶粒小而抗弯强度好。在1550°C烧结, AlN陶瓷的抗弯强度达到630 MPa。Li等[56]以CeO2和Y2O3为助烧剂, 在1700°C真空热压烧结AlN陶瓷, 得到的陶瓷抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度、热导率、致密度分别为387.9 MPa、12.68 GPa、3.34 MPam1/2、168.3 W·m-1·K-1、99.59%。此外, Zhan等[57]以CaO和Y2O3为助烧剂在1700°C致密烧结AlN陶瓷, 得到的抗弯强度为373.7 MPa。

3　目前面临的科学问题

目前, 在高性能AlN陶瓷研究中有以下问题需要重点解决：

(1) 氮化物的微观结构与其性能间的制约规律 (比如真空环境下氮气分压与材料结构间的影响规律、AlN陶瓷电阻率及介电性能的调控机理及其实现方法等) 需要一个理论指导体系；

(2) 在相对较低的温度下实现AlN陶瓷的致密化烧结需要提出新的陶瓷制备技术、寻找新的烧结助剂、改进烧结工艺等；

(3) 以AlN陶瓷做为基体制备复相材料时, 如何消除其与传统半导体硅、氮化镓材料之间的晶格失配、如何减小不同种类材料间的应力？

(4) AlN基复合陶瓷的开发与应用拓展包括晶须增强型AlN复合陶瓷、AlN-金属陶瓷、AlN梯度复合陶瓷的研究仍需进一步深入。

从性能、制备工艺以及成本方面考虑, 为了改善AlN陶瓷的性能, 不同的烧结工艺得到了应用。虽然制备出的AlN陶瓷性能有所提高, 但是先进的设备也增加了生产的成本, 限制了其工业化。相比烧结工艺, 以往的研究对烧结前的工艺过程关注相对较少。如前文所述, AlN粉料性能的好坏直接影响这AlN陶瓷的性能, 目前高质量的AlN粉料制备工艺已经很成熟, 但是AlN在储存的过程中易水解而导致粉料活性降低。如果在成型烧结前对AlN粉料进行特殊处理, 减少杂质 (尤其是杂质氧),恢复活性, 则显然有利于后续的烧结。因而找到一种高效且低成本的原料处理方法也应该是未来研究的方向之一。此外, 目前研究成型过程对AlN陶瓷性能一些的工作也不够深入。

在性能研究方面, 对AlN陶瓷的热导率、低频介电性能、机械性能研究很多, 但是对其电阻率、光学性能以及高频介电性能的研究还很少。如果能够调控AlN陶瓷的电阻率, 具有低电阻率的AlN陶瓷作为陶瓷基底代替单晶Si用于制作半导体器件将大大降低制作成本。高频介电性能的研究有利于AlN陶瓷在高频高温器件方面的应用。

综上所述, AlN陶瓷将朝着烧结温度低、热导率高、力学性能好、生产成本低的方向发展。AlN陶瓷正面临着前所未有的良好发展机遇, 必将成为21世纪高端陶瓷材料研发的重点。

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第一作者丁利文, 女, 1992年生, 湖北武汉人, 就读于华中科技大学, 硕士研究生,研究方向为AlN陶瓷及微波介质材料及相关通信器件。

研究论文

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Performance and Application of AlN Ceramics

DING Li-Wen, FAN Gui-Fen, LI Jing-Ren, YAO Yi-Feng, LV Wen-Zhong
College of Optical and Electronic Information, HuaZhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

Abstract:AlN ceramics with high hardness, linear expansion coefficient and volume resistivity, low dielectric constant, low dielectric loss, non-toxic, high temperature resistance, corrosion resistance and other properties has been widely used in electronics, machinery, composite materials, and other fields.The advantages of high heat conductivity makes the AlN ceramics to become one ideal materials of the semiconductor substrate and encapsulation.This article reviewed the development course of AlN ceramics and emphatically introduced the preparation technology, performance and application field.Furthermore, the technical difficulties and development direction of AlN ceramics is prospected.

Key words:AlN ceramics; Preparation technology ; Thermal conductivity

通讯作者：吕文中 (1968 -), 男, 湖北武汉人, 教授。E-mail:lwz@mail.hust.edu.cn。book=23,ebook=25一些烧结助剂可以降低AlN陶瓷的烧结温度, 进而便出现了高质量的AlN基片和封装材料, 而且产品稳定性逐步提高[8](图1为高功率应用的氮化铝陶瓷基板和封装[9,10])。此外, AlN陶瓷在耐火材料制备、坩埚的表面防护、结构材料的性能增强等方面也得到应用。高纯的AlN陶瓷呈透明状, 还可以作为光学器件之用 (图2)[11]。 吕文中, 男, 1968年生, 湖北武汉人, 现任华中科技大学电子科学与技术系教授, 硕士、博士生导师,华中科技大学电子科学与技术系副主任、信息功能材料教育部国防重点实验室主任、国家教育部敏感陶瓷工程中心副主任, 主要从事微波介质材料及其相关通信器件、铁电压电陶瓷材料及其元器件的研究。兼任中国仪器仪表学会传感器分会常务理事、中国电子学会压敏分会委员、中国电子学会高级会员、国家自然科学基金评委、《无机材料学报》和《压电与声光》杂志编委。

基金项目：国家自然科学基金 (61201051); 国家科技重大专项02专项 (2013ZX02104-001-002)。

收稿日期：2015-12-21 收到修改稿日期：2016-02-02

文献标识码：A

DOI：10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2016.01.003

中图分类号：TB34

文献编号：1005-1198 (2016) 01-0022-12