氮化鋁陶瓷具備優(yōu)異的綜合性能，是近年來(lái)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(zhù)的是高熱導率。氮化鋁陶瓷基板熱導率理論上可達320w/(m·k)，但由于氮化鋁中有雜質(zhì)和缺陷，導致氮化鋁產(chǎn)品的熱導率遠達不到理論值。既要達到致密燒結、降低雜質(zhì)含量、減少晶界相的含量，又要簡(jiǎn)化工藝、降低成本，在A(yíng)lN陶瓷的燒結過(guò)程中關(guān)鍵要做到：—是選擇適當的燒結工藝及氣氛；二是選擇適當的燒結助劑。
氮化鋁自擴散系數小，燒結非常困難。AlN基片較常用的燒結工藝一般以下有5種。
① 熱壓燒結
熱壓燒結是目前制備高熱導率致密化AlN陶瓷的主要工藝方法之一。所謂熱壓燒結，即在一定壓力下燒結陶瓷，可以使加熱燒結和加壓成型同時(shí)進(jìn)行。降低氮化鋁陶瓷的燒結溫度，促進(jìn)陶瓷致密化。以25MPa高壓，1700℃下燒結4h便制得了密度為3.26g/cm3、熱導率為200W/(m.K)的AlN陶瓷燒結體，AlN晶格氧含量為0.49wt%，比1800℃下燒結8h得到的AlN燒結體的晶格氧含量（1.25wt%）低了60%多，熱導率得以提高。
無(wú)壓燒結亦稱(chēng)常壓燒結，常壓燒結是AlN陶瓷傳統的制備工藝。在常壓燒結過(guò)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變?yōu)榫Я＝Y合體，常壓燒結是最簡(jiǎn)單、最廣泛的的燒結方法。常壓燒結氮化鋁陶瓷一般溫度范圍為1600-2000℃，適當升高燒結溫度和延長(cháng)保溫時(shí)間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度。
由于A(yíng)lN為共價(jià)鍵結構，純氮化鋁粉末難以進(jìn)行固相燒結，所以經(jīng)常在原料中加入燒結助劑以促進(jìn)陶瓷燒結致密化。常見(jiàn)的燒結助劑包括堿土金屬類(lèi)化合物助劑、稀土類(lèi)化合物助劑等。一般情況下，常壓燒結制備AlN陶瓷需要燒結溫度高，保溫時(shí)間較長(cháng)，但其設備與工藝流程簡(jiǎn)單，操作方便。
③ 微波燒結
微波燒結也是一種快速燒結法，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方法。微波同時(shí)使粉末顆粒活性提高，有利于物質(zhì)的傳遞。能實(shí)現整體加熱而極大地縮短燒結時(shí)間，并抑制晶粒生長(cháng)，所得陶瓷晶體細小均勻。使用Nd2O3-CaF2-B2O3作燒結助劑，以微波在1250℃低溫燒結，可以得到熱導率為66.4W/(m?K)的AlN陶瓷。
④ 放電等離子燒結
放電離子燒結(SPS)是一種新型快速燒結技術(shù)，融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術(shù)，具有燒結速度快，晶粒尺寸均勻等特點(diǎn)。放電離子燒結除了具有脈沖電流通過(guò)石墨模具產(chǎn)生的焦耳熱和熱壓燒結過(guò)程中壓力造成的塑性變形等要素外，脈沖電流還能在A(yíng)lN坯體顆粒之間的尖端處產(chǎn)生電壓，并產(chǎn)生局部放電現象，所產(chǎn)生的等離子，撞擊顆粒表面，導致物質(zhì)蒸發(fā)，可以達到凈化顆粒表面和活化顆粒的作用。利用放電離子燒結技術(shù)在1730℃、50MPa的條件下，只用5min便可燒結出相對密度為99.3%的AlN陶瓷材料。
⑤ 自蔓延燒結
自蔓延燒結即在超高壓氮氣下利用自蔓延高溫合成反應直接制備AlN陶瓷致密材料。但由于高溫燃燒反應下原料中的Al易熔融而阻礙氮氣向毛坯內部滲透，難以得到致密度高的AlN陶瓷。
目前，AlN陶瓷燒結氣氛有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過(guò)程中，除了工藝和氣氛影響著(zhù)產(chǎn)品的性能外，燒結助劑的選擇也尤為重要。在常壓下進(jìn)行燒結，添加適宜的燒結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(guò)添加一些低熔點(diǎn)的燒結助劑，可以在氮化鋁燒結過(guò)程中產(chǎn)生液相，促進(jìn)氮化鋁坯體的致密燒結。
AlN燒結助劑一般是堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物，燒結助劑主要有兩方面的作用：一方面形成低熔點(diǎn)物相，實(shí)現液相燒結，降低燒結溫度，促進(jìn)坯體致密化；另一方面，高熱導率是AlN基板的重要性能，而實(shí)現AlN基板中由于存在氧雜質(zhì)等各種缺陷，熱導率低于理論值，加入燒結助劑可以與氧反應，使晶格完整化，進(jìn)而提高熱導率。
然而，燒結助劑不能盲目地添加，添加的量也要適宜，否則可能會(huì )產(chǎn)生不利的作用。例如，燒結助劑添加量過(guò)多，會(huì )導致大量第二相的出現，進(jìn)而致使AlN的熱導率會(huì )顯著(zhù)降低。目前，燒結AlN陶瓷使用的燒結助劑主要有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廠(chǎng)家，其中日本是全球最大的氮化鋁基板出口國，核心廠(chǎng)商為日本丸和、京瓷等。國內已涌現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(wàn)片/月，逐步接近日本丸和。隨著(zhù)高質(zhì)量氮化鋁基板的生產(chǎn)能力不斷提升，未來(lái)有望改變高性能陶瓷基板長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面。
目前氮化鋁陶瓷基板的市場(chǎng)空間約10億元，2019年-2022年，國內氮化鋁陶瓷基板市場(chǎng)空間的復合增長(cháng)率超20%。隨著(zhù)下游大規模集成電路、IGBT、微波通訊、汽車(chē)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，氮化鋁的應用規模將進(jìn)一步擴大。根據360 research reports數據預測，到2026年，全球AlN陶瓷基板市場(chǎng)規模預計將從2020年的6100萬(wàn)美元達到1.073億美元，應用市場(chǎng)前景廣闊。
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