中國(guó)粉體網(wǎng)訊 毋庸置疑，氮化鋁最有價(jià)值的特性——導(dǎo)熱性。
隨著信息技術(shù)革命的到來(lái)，集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，電子系統(tǒng)集成度的提高將導(dǎo)致功率密度升高，以及電子元件和系統(tǒng)整體工作產(chǎn)生的熱量增加，因此，有效的電子封裝必須解決電子系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。擁有高導(dǎo)熱特性的氮化鋁自然受到國(guó)內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注。
AlN粉末樣品
優(yōu)秀歸優(yōu)秀，“水解”很致命
目前，氮化鋁在高導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在封裝基板和導(dǎo)熱填料。AlN熱導(dǎo)率理論上可達(dá)到320W/(m·k)，實(shí)際上，多晶AlN的熱導(dǎo)率一般為100 W/(m·k) ~ 200 W/(m·k)，室溫?zé)釋?dǎo)率為Al2O3的10~15倍原料粉體的特性，被認(rèn)為是微電子領(lǐng)域中半導(dǎo)體基板和電子封裝的理想材料。
AlN作為無(wú)機(jī)填料對(duì)覆銅板的制備，能有效提高板材的導(dǎo)熱性能，并且隨著氮化鋁投放比例的增加，覆銅板的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高，當(dāng)?shù)X比例為45%時(shí)對(duì)材料的導(dǎo)熱性能提升最為明顯。同時(shí)AlN還可作為導(dǎo)熱填料，填充于硅油、樹(shù)脂、橡膠等有機(jī)物中，來(lái)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。
AlN粉體的制備方法多樣，目前工業(yè)化生產(chǎn)主要采用直接氮化法、碳熱還原氮化法和高溫自蔓延法。在氮化鋁粉體制備中，碳熱還原法獨(dú)占鰲頭，占了將近五成的比例，其次是直接氮化法和自蔓延法，分別為26%和12%，這三種方法也是實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用的方法。等離子體法和化學(xué)氣相沉積法仍局限于試驗(yàn)規(guī)模，尚無(wú)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
AlN粉體的主要制備方法及特點(diǎn)
縱觀全球AlN行業(yè)，國(guó)內(nèi)對(duì)AlN材料的研究水平與國(guó)際上有著很大差距，AlN的商品化程度較低，高質(zhì)量的AlN產(chǎn)品主要依賴(lài)進(jìn)口。目前，優(yōu)質(zhì)AlN產(chǎn)品的生產(chǎn)主要集中在日本、德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，其中日本的Al2O3粉碳熱還原法和Al粉直接氮化法、德國(guó)的Al粉直接氮化法以及美國(guó)的Al2O3粉碳熱還原法所制備的AlN品質(zhì)均被世界所認(rèn)可。實(shí)現(xiàn)高性能AlN制造技術(shù)的國(guó)產(chǎn)專(zhuān)業(yè)化，已成為我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。
但由于受到生產(chǎn)技術(shù)的制約以及各種環(huán)境因素的影響，想要生產(chǎn)出高純AlN粉體是相當(dāng)困難的，就目前世界先進(jìn)水平來(lái)看，也只能做到很接近而已。而AlN粉體自身的水解行為無(wú)疑會(huì)帶來(lái)很多不必要的麻煩，AlN粉體易吸收空氣中的水發(fā)生水解反應(yīng)，使其表面包覆上一層氫氧化鋁薄膜，導(dǎo)致導(dǎo)熱通路中斷且聲子的傳遞受到影響，并且其大含量填充會(huì)使聚合物粘度大大提高，不利于成型加工，若直接遇水，AlN粉體水解會(huì)更加嚴(yán)重。
總的來(lái)講，AlN粉體極易水解，一方面給其運(yùn)輸、存儲(chǔ)帶來(lái)了困難，更重要的是AlN粉體水解后，其N(xiāo)含量降低，將顯著降低AlN陶瓷的性能；同時(shí)，AlN粉體的易水解性也阻礙了AlN陶瓷水基成型工藝的發(fā)展。
粉體改性破氮化鋁“水解之謎”
單純的只防備粉體制備和存儲(chǔ)過(guò)程與水分的接觸是完全不夠的，所以為解決AlN粉體的抗水解能力，提高其使用價(jià)值，需要對(duì)其進(jìn)行改性處理，降低粉體表面對(duì)水的化學(xué)活性是較為可靠的方式。在不斷的摸索中人們漸漸總結(jié)了三種主要的改性方法：熱處理法、有機(jī)表面改性和無(wú)機(jī)表面改性。
（1）熱處理法
熱處理法是通過(guò)對(duì)AlN粉體進(jìn)行熱處理，使表面發(fā)生氧化形成一層致密的Al2O3薄膜來(lái)提高粉體的抗水解能力。通過(guò)氧含量、溫度、氧化時(shí)間來(lái)控制它的形成與分布。通過(guò)熱處理法對(duì)AlN粉體進(jìn)行表面改性相對(duì)來(lái)說(shuō)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，雖然可以達(dá)到一定的抗水解效果，但AlN的氮含量會(huì)有較大損失，不適合作為高質(zhì)量AlN儲(chǔ)存的表面改性方法，這對(duì)制備高性能AlN功能陶瓷來(lái)說(shuō)影響極大。
（2）有機(jī)表面改性
有機(jī)長(zhǎng)鏈分子，如羧酸，可以作為一種有效的表面改性劑來(lái)對(duì)AlN粉體進(jìn)行表面改性處理，處理后的AlN粉體不僅疏水性得到提高，而且還可以在一定程度上改善AlN粉體在液體懸浮液中的分散性。
偶聯(lián)劑是一種能夠改善無(wú)機(jī)物和有機(jī)物之間界面特性的一類(lèi)改性添加劑，其分子結(jié)構(gòu)存在兩種性質(zhì)不同的基團(tuán)，一種基團(tuán)可與有機(jī)材料其化學(xué)反應(yīng)或有良好的相容性，另一種基團(tuán)可與無(wú)機(jī)材料形成化合鍵，通過(guò)偶聯(lián)劑的“搭橋”作用，提高了兩種性質(zhì)相反的材料之間的界面粘合性。常見(jiàn)的偶聯(lián)劑主要是硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸偶聯(lián)劑。
無(wú)論是有機(jī)物種類(lèi)的選擇還是有機(jī)溶劑的選擇以及其他因素的考量，在眾多有機(jī)物中進(jìn)行合理的搭配使用往往會(huì)達(dá)到令人滿(mǎn)意的效果，但如何控制并發(fā)揮這些參數(shù)的影響價(jià)值是每個(gè)科研工作者在實(shí)驗(yàn)探索中必經(jīng)的一個(gè)過(guò)程。是選用有機(jī)酸、表面活性劑、偶聯(lián)劑還是其他類(lèi)型的有機(jī)物效果更好，亦或是多種有機(jī)配合使用效果更好，都需要在之后每一次實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。
（3）無(wú)機(jī)表面改性
無(wú)機(jī)改性的反應(yīng)條件往往選擇在較高的溫度下進(jìn)行，以達(dá)到改性劑與AlN粉體有更好的接觸和包覆效果。目前，采用磷酸對(duì)AlN粉體進(jìn)行表面改性以提高其水解性能的研究有不少相關(guān)報(bào)道，通過(guò)磷酸酸洗可使AlN粉體表面發(fā)生鈍化，從而提高其抗水解性能。與亞微米顆粒相比，磷酸酸洗對(duì)改善納米顆粒的AlN粉抗水解效果更為顯著，主要是由于納米顆粒AlN粉體所受的磷酸保護(hù)層更好。
另外，利用磷酸與表面活性劑（如Al(H2PO4)3）對(duì)AlN粉體進(jìn)行表面改性處理，不僅可以在AlN粉表面形成磷酸鹽保護(hù)層提高抗水解性能，并且還能改善AlN粉的分散性。該種改性方法成本低廉、改性效果好，是一種具有實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景的處理方法。
小結(jié)
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(wèn)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。AlN粉體的易水解性使其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。因此，對(duì)AlN粉體原料的水解行為進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，再對(duì)其進(jìn)行表面改性，以提高AlN 粉體原料的抗水解能力，是一個(gè)非常重要的研究課題。
來(lái)源：
何金秀等：AIN 粉體水解行為及其抗水解改性的研究進(jìn)展
朱九樓：氮化鋁粉末的無(wú)機(jī)表面改性及其燒結(jié)制備
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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