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氮化鋁（AlN）陶瓷屬于先進(jìn)半導(dǎo)體材料及芯片制造和封裝材料，是我國關(guān)鍵戰(zhàn)略材料中不可或缺的一部分。高品級粉體是制備高性能AlN陶瓷的基礎(chǔ)，粉體的純度、粒度及分布、顆粒形貌等因素直接影響著AlN陶瓷的制備工藝和產(chǎn)品性能。

氮化鋁的優(yōu)異性能使其擁有廣泛應(yīng)用面

AlN的理論熱導(dǎo)率高達(dá)320 W·m⁻¹·K⁻¹，約為金屬銅（Cu）的80%，是氧化鋁（Al₂O₃）的近十倍，并且具有良好的絕緣性、高化學(xué)穩(wěn)定性、無毒、無磁、以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)，是半導(dǎo)體基板和電子封裝的理想材料，特別是在航空航天、軌道交通、新能源裝備、高功率LED、5G通訊、電力傳輸和工業(yè)控制等領(lǐng)域功率器件中具有不可取代的作用。另外，AlN熔點(diǎn)高，耐金屬腐蝕性強(qiáng)，可用作熔融鈾坩堝或耐火材料；高純度的AlN陶瓷呈透明狀，可應(yīng)用于光學(xué)窗口器件；AlN顆粒還可作為導(dǎo)熱填料，填充于硅油、樹脂、橡膠等有機(jī)物中，來制備強(qiáng)化熱源與散熱器之間熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱界面材料。

國內(nèi)外氮化鋁粉體差距

目前高端AlN粉體的制備技術(shù)基本被日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家壟斷并進(jìn)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，其AlN粉體具有純度高、粒度均勻性好、燒結(jié)性能好、收縮一致性好等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)全球90%市場份額，尤其是日本德山、東洋鋁業(yè)等行業(yè)巨頭。

國內(nèi)開展AlN粉體制備技術(shù)研究相對較晚，但近幾年高校研究機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界合作，也取得了較大的進(jìn)展，主要生產(chǎn)企業(yè)有廈門鉅瓷、中電43所、寧夏艾森達(dá)、百圖高新和福建臻璟等。

中國電子科技集團(tuán)公司第43研究所：

國內(nèi)LTCC/氮化鋁基板、功率驅(qū)動電路、信號電路、電子窯爐等產(chǎn)品的知名供應(yīng)商，在混合集成電路及微組裝技術(shù)領(lǐng)域具有明顯的綜合優(yōu)勢并引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。該所早在“七五”期間就采用Al₂O₃粉碳熱還原法制備出了高純超細(xì)AlN粉，掌握了AlN粉的基本制作方法，性能在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

株洲艾森達(dá)新材料科技有限公司：

公司產(chǎn)品豐富，涵蓋氮化鋁粉體（包含流延粉、造粒粉、填料粉）、氮化鋁基板、氧化鋁基板、氮化硅基板、HTCC用氮化鋁生瓷片、氧化鋁生瓷片、LTCC用生瓷片、以及各種生瓷片的配套漿料、陶瓷多層基板、陶瓷封裝管殼、UVLED支架、各類加熱片、陶瓷結(jié)構(gòu)件等。公司研發(fā)的氮化鋁粉體、高熱導(dǎo)氮化鋁基板是解決當(dāng)前電子基板及電子封裝領(lǐng)域?qū)τ跓峁芾硇枨蟮年P(guān)鍵材料之一。

廈門鉅瓷科技有限公司：

鉅瓷科技是一家致力于高品級氮化鋁粉體及陶瓷制品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的創(chuàng)新型高科技企業(yè)。公司主要產(chǎn)品有高純氮化鋁粉體、氮化鋁造粒粉、氮化鋁填料粉以及注射成形復(fù)雜精密氮化鋁陶瓷制品四大系列，已經(jīng)得到國內(nèi)外客戶的認(rèn)可與好評。

此前，廈門鉅瓷與北京科技大學(xué)合作，采用前驅(qū)體碳熱還原氮化法制備AlN，建成了年產(chǎn)能300 t AlN粉體的生產(chǎn)線，粉體質(zhì)量好，已開始在行業(yè)中大量使用。

此外，在今年2月份，由寧夏北瓷電子封裝陶瓷材料二期擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目于近日進(jìn)入試生產(chǎn)階段。該項(xiàng)目斥資1.2億元，將形成年產(chǎn)氮化鋁粉體430噸、高溫多層共燒氮化鋁陶瓷基板（HTCC）5萬片、年產(chǎn)氮化鋁陶瓷結(jié)構(gòu)件1000件、年產(chǎn)氮化鋁陶瓷基板80萬片等生產(chǎn)能力。

圖片來源：賀蘭發(fā)布

只是目前，國內(nèi)氮化鋁粉體產(chǎn)品性能指標(biāo)遠(yuǎn)不及日本德山Ｅ級粉，短期內(nèi)，國內(nèi)高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基板用氮化鋁粉體依賴進(jìn)口的局面難以徹底改變。

氮化鋁粉體究竟受何影響？如何評定？

高品級AlN粉體是AlN行業(yè)的基石，其特征為低氧含量、比表面積大且粒度分布窄、燒結(jié)活性高且耐潮解。

粉體氧含量：

這是高品級AlN的一項(xiàng)重要指標(biāo)，AlN粉體氧主要來自吸附于粉末表面的表面氧，以Al₂O₃+AlOOH混合物的形式包覆在粉末顆粒表面。粉體氧在燒結(jié)過程中易擴(kuò)散進(jìn)入AlN晶格，形成鋁空位等大量結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷將會產(chǎn)生聲子散射，降低聲子的平均自由程，進(jìn)而惡化材料導(dǎo)熱性能。

比表面積及粒徑分布：

通常認(rèn)為，隨著粉末粒度減小和比表面積增大，粉末的表面能增大，粉末活性升高，燒結(jié)驅(qū)動力也隨著增加。粉末的比表面積、分散性、粒度及粒度分布是決定其致密化和燒結(jié)產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素。

其他雜質(zhì)及含量：

除氧外，其他雜質(zhì)也會固溶到AlN晶格中，導(dǎo)致AlN產(chǎn)生缺陷降低熱導(dǎo)率。

耐潮性：

AlN粉末在空氣中易發(fā)生潮解，與空氣中的水蒸氣發(fā)生水解反應(yīng)生成Al（OH）₃和NH₃，如式（1）所示。水解生成的產(chǎn)物疏松，不能阻止粉末進(jìn)一步潮解，造成粉體氧含量持續(xù)增加甚至粉體變質(zhì)，因此AlN粉末需存儲于干燥密閉環(huán)境中。為了方便儲存、運(yùn)輸以及使用，可對AlN粉體進(jìn)行表面改性，以提高粉體抗水解能力。

AlN+3H₂O→Al（OH）₃+NH₃       （1）

總的來說，隨著半導(dǎo)體、航空航天、新能源、5G通訊等領(lǐng)域高端裝備的發(fā)展，高功率和高熱流密度器件的散熱問題已經(jīng)成為制約器件使用壽命和可靠性的關(guān)鍵，AlN作為一種特殊且重要的散熱材料，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

對于氮化鋁粉體的合成，研究人員投入了大量精力，截至目前，合成AlN粉體的方法主要有碳熱還原法、直接氮化法、自蔓延高溫合成法、溶膠－凝膠法、化學(xué)氣相沉積法以及等離子體法。

我國近年來在AlN粉體的制備上有長足的進(jìn)展，但高端AlN粉體與國外仍有一定的差距。探索新的工藝方法或原理，突破高端AlN粉體制備的“卡脖子”局面，彌補(bǔ)國內(nèi)市場空白，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代是急需解決的問題。

參考來源：

1.各公司官網(wǎng)、寧夏日報，賀蘭發(fā)布、中國粉體網(wǎng)

2.秦運(yùn)璞等，高品級氮化鋁粉體及其碳熱還原氮化工藝研究進(jìn)展

3.李寬寬等，高品質(zhì)氮化鋁粉體材料制備工藝及應(yīng)用性能研究

4.李俊芳等，碳熱還原法制備氮化鋁粉體的研究進(jìn)展及展望

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山林）

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