氮化铝(AlN)单晶的理论导热率高达320W/(m·K)，然而，市面上常见的AlN陶瓷基板的热导率却仅徘徊在150-180W/(m·K)之间，远低于其理论极限。这一现状意味着，AlN陶瓷基板的导热性能仍有巨大的提升空间。随着功率电子器件封装与互联技术的飞速发展，提高AlN陶瓷基板的热导率已成为行业内的迫切需求。本文将深入探讨如何通过优化制备工艺来有效提升其热导率。
目前，AlN陶瓷基板的生产流程主要包括流延法成型、常压烧结及热处理等环节。众多研究与实践经验表明，选择合适的原材料、恰当的制备工艺并优化相关参数，能够显著克服影响AlN陶瓷热导率的诸多不利因素，从而在大幅提升其热导率的同时，也增强陶瓷的强度。
1.选用高纯超细氮化铝AlN粉体
氮化铝AlN浆料的流延成型效果与AlN粉末的形状及粒径分布息息相关。理想的AlN粉末颗粒应具备高球形度，且粒径分布呈现狭窄的单峰正态分布。
AlN粉末的粒度、比表面积及杂质元素含量（尤其是氧杂质）对制备高导热AlN陶瓷至关重要。采用高品质AlN粉末并精心挑选烧结助剂，可有效降低AlN陶瓷中的氧杂质含量，进而提升其热导率。同时，AlN粉末的比表面积与粒度分布对其烧结行为及性能有着显著影响。粒径较小、比表面积较大的AlN粉末展现出更高的烧结活性。AlN粉末粒度越均匀，AlN陶瓷的烧结均匀性就越好，晶粒尺寸分布也更为一致。另外，氮化铝易水解，因此在选取原材料时，可以选用具有耐水解性能的氮化铝，例如金戈新材推出的耐水解氮化铝产品，是提升AlN陶瓷基板性能的优选材料。
2.选择合适的烧结助剂
氮化铝AlN作为强共价键化合物，具有较小的原子自扩散系数和较高的晶界能，导致其陶瓷烧结活性较低。因此，常需添加碱土金属化合物和稀土镧系化合物（如Y2O3、CaO、CaF2、Li2O等）作为烧结助剂，以促进AlN陶瓷的致密化烧结。
烧结助剂的作用主要体现在：（1）在高温下与AlN粉末表面的Al2O3反应，形成多元氧化物熔体，促进液相烧结；在烧结后的冷却过程中，该熔体完全或部分晶化，沿AlN晶界分布；（2）促进AlN晶格内的杂质氧原子向晶界扩散，降低AlN晶格氧含量，减少晶格缺陷对声子的散射，从而提高AlN陶瓷的热导率。
3.在N2保护下排胶
氮气保护下的排胶处理是氮化铝AlN生坯制备的标准流程。将AlN粉末经过混合、浆料流延、叠层和等静压压制后制成特定尺寸的生坯。为去除黏结剂，必须进行排胶处理。由于AlN粉末易于水解和氧化，因此通常使用高纯度氮气作为排胶气氛，以防止AlN生坯氧化。在此过程中，排胶片会留下一定量的碳残留
碳的加入加速了AlN陶瓷中AlN晶粒的生长速度，并延缓了陶瓷的致密化过程。研究表明，AlN生坯中残留的碳能有效还原晶界氧化物，降低AlN陶瓷中的氧杂质含量，从而提升其热导率。有研究表明，在AlN生坯中添加0.5%的碳可提升其热导率，但添加量超过1%时，烧结AlN陶瓷的密度会降低，热导率也会显著下降。
4.高温烧结
高温烧结结合高温热处理等工艺优化是提升AlN陶瓷性能的关键。AlN陶瓷的烧结致密化通常采用气氛保护下的常压烧结工艺，关键参数包括烧结气氛、气氛流量、烧结温度、保温时间及升降温速率等。为防止AlN陶瓷在烧结过程中氧化，常选用非氧化性保护气氛，如强还原性气氛（CO）、还原性气氛（H2）或中性气氛（N2）。在工业上，AlN陶瓷通常在高流动性的N2气氛中进行烧结。
在AlN陶瓷的烧结过程中，缓慢升温有助于充分排除黏结剂，提升AlN陶瓷的致密度，进而增强其性能。在烧结后的冷却过程中，适度的缓慢冷却有助于熔体在AlN三叉晶界处收缩，促进非晶层晶化，从而提高AlN陶瓷的热导率和强度等性能。
5.热处理工艺
烧结后的AlN陶瓷还需进行等温退火的热处理。这通常在高纯N2气氛保护下进行，在不低于AlN陶瓷烧结温度的条件下长时间保温，以促进AlN陶瓷中的晶界相重新熔融并向陶瓷表面迁移，进一步减少晶界相含量，优化AlN陶瓷的微观结构，提升其热导率。
至今，如何提高AlN陶瓷基板的热导率仍是业界关注的焦点。随着市场对高导热AlN陶瓷基板需求的持续增长，未来材料研发将不断加大对这一领域的投入，以推动相关技术的创新与发展。