氮化鋁陶瓷具備優(yōu)異的綜合性能，是近年來受到廣泛關(guān)注的新一代先進(jìn)陶瓷，是高密度、大功率和高速集成電路基板和封裝的理想材料。而在氮化鋁—系列重要性質(zhì)中，最為顯著的是高熱導(dǎo)率。氮化鋁陶瓷基板熱導(dǎo)率理論上可達(dá)320w/(m·k)，但由于氮化鋁中有雜質(zhì)和缺陷，導(dǎo)致氮化鋁產(chǎn)品的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)達(dá)不到理論值。既要達(dá)到致密燒結(jié)、降低雜質(zhì)含量、減少晶界相的含量，又要簡化工藝、降低成本，在AlN陶瓷的燒結(jié)過程中關(guān)鍵要做到：—是選擇適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝及氣氛；二是選擇適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑。
氮化鋁自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)非常困難。AlN基片較常用的燒結(jié)工藝一般以下有5種。
① 熱壓燒結(jié)
熱壓燒結(jié)是目前制備高熱導(dǎo)率致密化AlN陶瓷的主要工藝方法之一。所謂熱壓燒結(jié)，即在一定壓力下燒結(jié)陶瓷，可以使加熱燒結(jié)和加壓成型同時進(jìn)行。降低氮化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，促進(jìn)陶瓷致密化。以25MPa高壓，1700℃下燒結(jié)4h便制得了密度為3.26g/cm3、熱導(dǎo)率為200W/(m.K)的AlN陶瓷燒結(jié)體，AlN晶格氧含量為0.49wt%，比1800℃下燒結(jié)8h得到的AlN燒結(jié)體的晶格氧含量（1.25wt%）低了60%多，熱導(dǎo)率得以提高。
無壓燒結(jié)亦稱常壓燒結(jié)，常壓燒結(jié)是AlN陶瓷傳統(tǒng)的制備工藝。在常壓燒結(jié)過程中，坯體不受外加壓力作用，僅在一般氣壓下經(jīng)加熱由粉末顆粒的聚集體轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я＝Y(jié)合體，常壓燒結(jié)是最簡單、最廣泛的的燒結(jié)方法。常壓燒結(jié)氮化鋁陶瓷一般溫度范圍為1600-2000℃，適當(dāng)升高燒結(jié)溫度和延長保溫時間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度。
由于AlN為共價鍵結(jié)構(gòu)，純氮化鋁粉末難以進(jìn)行固相燒結(jié)，所以經(jīng)常在原料中加入燒結(jié)助劑以促進(jìn)陶瓷燒結(jié)致密化。常見的燒結(jié)助劑包括堿土金屬類化合物助劑、稀土類化合物助劑等。一般情況下，常壓燒結(jié)制備AlN陶瓷需要燒結(jié)溫度高，保溫時間較長，但其設(shè)備與工藝流程簡單，操作方便。
③ 微波燒結(jié)
微波燒結(jié)也是一種快速燒結(jié)法，利用微波與介質(zhì)的相互作用產(chǎn)生介電損耗而使坯體整體加熱的燒結(jié)方法。微波同時使粉末顆粒活性提高，有利于物質(zhì)的傳遞。能實現(xiàn)整體加熱而極大地縮短燒結(jié)時間，并抑制晶粒生長，所得陶瓷晶體細(xì)小均勻。使用Nd2O3-CaF2-B2O3作燒結(jié)助劑，以微波在1250℃低溫?zé)Y(jié)，可以得到熱導(dǎo)率為66.4W/(m?K)的AlN陶瓷。
④ 放電等離子燒結(jié)
放電離子燒結(jié)(SPS)是一種新型快速燒結(jié)技術(shù)，融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術(shù)，具有燒結(jié)速度快，晶粒尺寸均勻等特點。放電離子燒結(jié)除了具有脈沖電流通過石墨模具產(chǎn)生的焦耳熱和熱壓燒結(jié)過程中壓力造成的塑性變形等要素外，脈沖電流還能在AlN坯體顆粒之間的尖端處產(chǎn)生電壓，并產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，所產(chǎn)生的等離子，撞擊顆粒表面，導(dǎo)致物質(zhì)蒸發(fā)，可以達(dá)到凈化顆粒表面和活化顆粒的作用。利用放電離子燒結(jié)技術(shù)在1730℃、50MPa的條件下，只用5min便可燒結(jié)出相對密度為99.3%的AlN陶瓷材料。
⑤ 自蔓延燒結(jié)
自蔓延燒結(jié)即在超高壓氮氣下利用自蔓延高溫合成反應(yīng)直接制備AlN陶瓷致密材料。但由于高溫燃燒反應(yīng)下原料中的Al易熔融而阻礙氮氣向毛坯內(nèi)部滲透，難以得到致密度高的AlN陶瓷。
目前，AlN陶瓷燒結(jié)氣氛有3種：中性氣氛、還原型氣氛和弱還原型氣氛。中性氣氛采用常用的N2、還原性氣氛采用CO，弱還原性氣氛則使用H2。
在氮化鋁陶瓷基板燒結(jié)過程中，除了工藝和氣氛影響著產(chǎn)品的性能外，燒結(jié)助劑的選擇也尤為重要。在常壓下進(jìn)行燒結(jié)，添加適宜的燒結(jié)助劑不僅能夠大大降低能耗，還能夠制備出高性能的AlN陶瓷。研究表明，通過添加一些低熔點的燒結(jié)助劑，可以在氮化鋁燒結(jié)過程中產(chǎn)生液相，促進(jìn)氮化鋁坯體的致密燒結(jié)。
AlN燒結(jié)助劑一般是堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物，燒結(jié)助劑主要有兩方面的作用：一方面形成低熔點物相，實現(xiàn)液相燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)坯體致密化；另一方面，高熱導(dǎo)率是AlN基板的重要性能，而實現(xiàn)AlN基板中由于存在氧雜質(zhì)等各種缺陷，熱導(dǎo)率低于理論值，加入燒結(jié)助劑可以與氧反應(yīng)，使晶格完整化，進(jìn)而提高熱導(dǎo)率。
然而，燒結(jié)助劑不能盲目地添加，添加的量也要適宜，否則可能會產(chǎn)生不利的作用。例如，燒結(jié)助劑添加量過多，會導(dǎo)致大量第二相的出現(xiàn)，進(jìn)而致使AlN的熱導(dǎo)率會顯著降低。目前，燒結(jié)AlN陶瓷使用的燒結(jié)助劑主要有Y2O3、CaO、Yb2O3、Sm2O3、Li2O3、B2O3、CaF2、YF3、CaC2等或它們的混合物。
氮化鋁基板的生產(chǎn)能力主要集中于全球少數(shù)廠家，其中日本是全球最大的氮化鋁基板出口國，核心廠商為日本丸和、京瓷等。國內(nèi)已涌現(xiàn)一批具備氮化鋁基板批量生產(chǎn)的企業(yè)，龍頭公司的產(chǎn)能已超50萬片/月，逐步接近日本丸和。隨著高質(zhì)量氮化鋁基板的生產(chǎn)能力不斷提升，未來有望改變高性能陶瓷基板長期依賴進(jìn)口的局面。
目前氮化鋁陶瓷基板的市場空間約10億元，2019年-2022年，國內(nèi)氮化鋁陶瓷基板市場空間的復(fù)合增長率超20%。隨著下游大規(guī)模集成電路、IGBT、微波通訊、汽車電子及影像傳感等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，以及在電子器件功率提升的大背景下，氮化鋁的應(yīng)用規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。根據(jù)360 research reports數(shù)據(jù)預(yù)測，到2026年，全球AlN陶瓷基板市場規(guī)模預(yù)計將從2020年的6100萬美元達(dá)到1.073億美元，應(yīng)用市場前景廣闊。
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