一、氮化鋁陶瓷

　　氮化鋁（AlN）為六方晶型，純AlN呈藍(lán)白色，通常為灰色或灰白色。作為一種綜合性能優(yōu)良的新型陶瓷材料，氮化鋁陶瓷具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，可靠的電絕緣性，低的介電常數(shù)和介電損耗，無(wú)毒以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特性，被認(rèn)為是新一代高集成度半導(dǎo)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(yīng)用做簡(jiǎn)要介紹。

二、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(gè)制備過(guò)程：粉體的合成、成型、燒結(jié)。

　　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(zhì)的含量都對(duì)后續(xù)成品的熱導(dǎo)性能、后續(xù)燒結(jié)，成形工藝有重要影響，是最終成品性能優(yōu)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?dú)夥諊校X粉直接與氮?dú)饣仙a(chǎn)氮化鋁粉末，反應(yīng)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(dòng)氮?dú)庵邪l(fā)生還原氮化反應(yīng)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(qiáng)放熱反應(yīng)的特點(diǎn)，將鋁粉于氮?dú)庵悬c(diǎn)然后，利用鋁和氮?dú)庵g的高化學(xué)反應(yīng)熱使反應(yīng)自行維持下去，合成AlN。

　　④化學(xué)氣相沉積法：利用鋁的揮發(fā)性化合物與氮?dú)饣虬睔夥磻?yīng)，從氣相中沉淀析出氮化鋁粉末；根據(jù)選擇鋁源的不同，分為無(wú)機(jī)物（鹵化鋁）和有機(jī)物（烷基鋁）化學(xué)氣相沉積法。

　　表1.氮化鋁粉末常見(jiàn)的制備方法及優(yōu)缺點(diǎn)

　　2.AlN的成型工藝

　　氮化鋁粉末的成型工藝有很多種，傳統(tǒng)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(qiáng)，為了減少氮化鋁的氧化，成型過(guò)程中應(yīng)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(chǎn)效率低，無(wú)法滿足電子工業(yè)對(duì)氮化鋁陶瓷基片用量日益增加的需求。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)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(yè)用氮化鋁陶瓷基本的主要成型工藝。

　　三、氮化鋁陶瓷的應(yīng)用

　　1.AlN作為基片材料

　　大多數(shù)陶瓷是離子鍵或共價(jià)鍵極強(qiáng)的材料，具有優(yōu)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(yōu)異的高頻特性，同時(shí)線膨脹系數(shù)與電子元器件非常相近，化學(xué)性能非常穩(wěn)定且熱導(dǎo)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(yīng)用。原來(lái)長(zhǎng)期絕大多數(shù)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(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)和硅不太匹配；氧化鈹雖然具有優(yōu)良的綜合性能，但其較高的生產(chǎn)成本和劇毒的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用推廣。因此，從性能、成本和環(huán)保等因素考慮，二者已不能完全滿足現(xiàn)代電子功率器件發(fā)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(shù)和光電子技術(shù)的基礎(chǔ)，因而對(duì)各種新型電子薄膜材料的研究成為眾多科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。氮化鋁于19世紀(jì)60年代被人們發(fā)現(xiàn)可作為電子薄膜材料，并具有廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，以ⅢA族氮化物為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料和電子器件發(fā)展迅猛，被稱為繼以Si為代表的第一代半導(dǎo)體和以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體之后的第三代半導(dǎo)體。AlN作為典型性的ⅢA族氮化物得到了越來(lái)越多國(guó)內(nèi)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(rùn)但不能與之反應(yīng)，包括銅、鋰、鈾、鐵在內(nèi)的化合物合金以及一些超耐熱合金；并且氮化鋁對(duì)碳酸鹽、低共熔混合物、氯化物、冰晶石等許多熔鹽穩(wěn)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(fā)和熔煉金屬的容器，特別適于真空蒸發(fā)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(huì)污染鋁。AlN也可以作熱電偶保護(hù)套，在空氣中800~1000℃鋁池中連續(xù)浸泡3000h以上也沒(méi)有侵蝕破壞。在半導(dǎo)體工業(yè)中，用AlN坩堝代替石英坩堝合成砷化鎵，可以完全消除Si對(duì)砷化鎵的污染而得到高純產(chǎn)品。

　　氮化鋁的多種優(yōu)異性能決定了其多方面應(yīng)用，作為壓電薄膜，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用；作為電子器件和集成電路的封裝、介質(zhì)隔離和卷圓材料，有著重要的應(yīng)用前景；作為藍(lán)光、紫外發(fā)光材料也是目前的研究熱點(diǎn)；作為高聚物材料，可用來(lái)固定模具、制作膠黏劑、熱潤(rùn)滑脂和散熱墊……經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的進(jìn)一步拓展開(kāi)發(fā)，氮化鋁陶瓷材料的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣。