導(dǎo)熱陶瓷有許多重要應(yīng)用，其中用量最大也最受關(guān)注的莫過(guò)于陶瓷封裝基板。尤其是隨著電子器件精密程度的增加，元件的散熱問(wèn)題也開(kāi)始變得棘手，因此對(duì)陶瓷基板的要求也變得更加苛刻。

氧化鋁導(dǎo)熱基板

能夠用于導(dǎo)熱的陶瓷材料被成為導(dǎo)熱陶瓷材料，主要包括SiC、AIN、BeO、Al₂O₃等。其中SiC雖然具有較為優(yōu)良的導(dǎo)熱性以及熱膨脹系數(shù)，但SiC有半導(dǎo)性，絕緣電阻小；AIN的粉體制備工藝復(fù)雜難以掌握，燒結(jié)也比較困難，整體成本較高；BeO陶瓷原材料價(jià)格昂貴，且BeO粉末具有毒性（但制品無(wú)毒）不容易被接受。

而Al₂O₃陶瓷是目前人類(lèi)研究最透徹，應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料，具有力學(xué)性能優(yōu)異、抗腐蝕、耐磨性好、儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在高端行業(yè)的關(guān)鍵器件中處處可見(jiàn)其身影。然而Al₂O₃陶瓷的導(dǎo)熱性能在一眾導(dǎo)熱陶瓷中并不出眾，盡管出色的性?xún)r(jià)比讓它能夠長(zhǎng)期活躍在導(dǎo)熱陶瓷領(lǐng)域中，但面對(duì)日益苛刻的導(dǎo)熱要求，Al₂O₃陶瓷必須要最大限度地“榨出”潛能，使制品熱導(dǎo)率持續(xù)接近其理論值，才可持久發(fā)展下去。

影響材料熱導(dǎo)率的原因及解決方法

對(duì)絕緣陶瓷材料來(lái)說(shuō)，聲子的傳播決定了材料的熱導(dǎo)率。聲子類(lèi)似于點(diǎn)陣波，與光同樣具有波動(dòng)性，因此它在絕緣陶瓷材料內(nèi)部的傳遞會(huì)與光具有相同之處。光在陶瓷材料中傳播的阻礙主要為雜質(zhì)、氣孔和晶界對(duì)光的吸收和散射，那么熱的傳遞也應(yīng)如此，主要體現(xiàn)在材料的孔隙率、晶界、點(diǎn)缺陷、雜質(zhì)等對(duì)聲子傳播的影響。

熱量在陶瓷材料表面、晶界、氣孔以及雜質(zhì)中的傳遞過(guò)程模擬圖

以上的幾個(gè)參數(shù)，其實(shí)都和陶瓷的制備工藝有著非常緊密的關(guān)系。而在陶瓷材料的制備過(guò)程中，原料粉體的制備是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以說(shuō)它們直接決定了陶瓷成品的性能。因此要提高陶瓷導(dǎo)熱性能，必須要研究清楚原料對(duì)相關(guān)性能的影響機(jī)制。以下就從幾個(gè)影響陶瓷導(dǎo)熱性能的主要因素出發(fā)，分析原料對(duì)其的影響。

①致密度

致密度對(duì)陶瓷材料的性能有著直接顯著的影響，對(duì)于導(dǎo)熱性能來(lái)說(shuō)，陶瓷材料的致密度越高其導(dǎo)熱性能越好，主要體現(xiàn)在材料的低氣孔率，即氣孔越少，聲子傳播的阻力越小，陶瓷材料的導(dǎo)熱性能越好。Zivcova等用淀粉作成孔劑制備了不同氣孔率的氧化鋁陶瓷材料，探究了氣孔率對(duì)氧化鋁陶瓷熱導(dǎo)率的影響，實(shí)驗(yàn)表明，在相同溫度下，氣孔率越大熱導(dǎo)率越低。

目前行業(yè)內(nèi)一般會(huì)采用球形度高的氧化鋁粉體作為原料。曾有研究員使用片狀氧化鋁粉體進(jìn)行干壓成型和燒結(jié)后，制備出互鎖多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷，其密度為0.920g/cm3，氣孔率達(dá)到了76.34%，顯然不適合作為導(dǎo)熱陶瓷使用。而球形粉體具有更高的流動(dòng)性，會(huì)對(duì)后續(xù)的成型和燒結(jié)會(huì)產(chǎn)生積極的影響，比如說(shuō)Liu F等就在5.5GPa和900℃的高壓環(huán)境下采用球形氧化鋁粉體成功制備出了高致密度且近乎透明的氧化鋁陶瓷。若原始粉體球形度不足時(shí)，也可以加入粘結(jié)劑對(duì)粉末進(jìn)行造粒，形成類(lèi)球狀的形貌，同樣能有效提高陶瓷的致密度。

類(lèi)球形氧化鋁和片狀氧化鋁

但球形度到位后也要注意粉末的粒度分布。JMa等對(duì)此進(jìn)行了研究，他們將燒結(jié)分為初、中、后期三個(gè)階段，較寬粒度分布的粉體因提高了生坯的密度所以在燒結(jié)初期可使陶瓷的致密化速率加快，除此之外，在燒結(jié)中期，寬粒度分布的粉體提高了晶粒生長(zhǎng)的速率，材料中的封閉隔離孔被嵌入較大的顆粒狀基體中，因此具有更好的燒結(jié)性，而且有助于在燒結(jié)后期保持較高的燒結(jié)速度。但是較寬的粒度分布會(huì)導(dǎo)致材料局部顆粒的堆積而產(chǎn)生致密化的差異，甚至在超過(guò)一定的粒度分布時(shí)，燒結(jié)體的晶粒尺寸會(huì)過(guò)大，孔結(jié)構(gòu)變粗。

②雜質(zhì)

陶瓷材料的導(dǎo)熱性能受雜質(zhì)含量的影響很大，主要分為兩種形式，一是粉體原料的純度;二是在燒結(jié)過(guò)程中所添加的燒結(jié)助劑。

陶瓷原料的純度指的是材料中主要成分占總成分的百分含量。陶瓷粉體中或多或少都會(huì)含有雜質(zhì)，這些雜質(zhì)包括一些氧化物或金屬離子，以及一些雜相。例如，氧化鋁中的雜質(zhì)往往為制備過(guò)程中的粉塵、大顆粒異物、設(shè)備加工帶入的金屬雜質(zhì)等。除此之外，還包括一些雜相，比如結(jié)構(gòu)疏松的β-Al₂O₃、γ-Al₂O₃，若其存在會(huì)影響材料成型之后的密度，從而影響導(dǎo)熱性能。另外，氧化鋁陶瓷粉體中還會(huì)存在一些雜質(zhì)離子，如Na⁺、K⁺、Mg⁺和Ca²⁺等，它們的存在會(huì)加強(qiáng)粒子對(duì)聲子的散射、增加聲子傳播自由程，使材料的熱導(dǎo)率降低。

在陶瓷材料的燒結(jié)工藝中，加入燒結(jié)助劑是為了降低陶瓷材料的燒結(jié)溫度，防止因晶粒的急劇長(zhǎng)大而導(dǎo)致的晶粒尺寸不均勻以及減少材料的氣孔率，這對(duì)提高陶瓷材料的致密度有很大作用。但同時(shí)也相當(dāng)于引入了雜質(zhì)，可能會(huì)對(duì)其導(dǎo)熱性能產(chǎn)生不利的影響。

但這不代表燒結(jié)助劑不該加，主要得看最終效果。比如說(shuō)AlN在Y₂O₃燒結(jié)助劑作用下，經(jīng)過(guò)1800℃煅燒后，熱導(dǎo)率還比較低，因?yàn)槠渚Я：途Ы玳g還存在少量氧元素和燒結(jié)助劑引入的雜質(zhì)元素，當(dāng)在N₂氣氛1900℃煅燒100h后，晶粒與晶界中的氧含量減少，晶界中的雜質(zhì)元素消失，AlN熱導(dǎo)率提升至272W/（m·K），這表明燒結(jié)助劑的加入是為了減少AlN中存在的氧原子，從而減少其中存在的雜質(zhì)，提高熱導(dǎo)率。

③晶粒尺寸

聲子傳播的過(guò)程中會(huì)受到各方面因素的影響，而這其中，晶粒尺寸對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響也很大，Pabst等采用兩步相混合建模的方法計(jì)算了純氧化鋁-氧化鋯陶瓷材料不同晶粒尺寸的熱導(dǎo)率，并與實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

他們得出：材料的實(shí)際熱導(dǎo)率要比理論計(jì)算得出的要低，是因?yàn)樘沾芍写嬖诩{米級(jí)別的孔隙率，造成了熱導(dǎo)率的差異，而不僅僅是晶粒尺寸的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，晶粒尺寸決定了孔隙的尺寸，如果晶粒尺寸處于納米級(jí)別，材料中會(huì)出現(xiàn)極難消除的納米級(jí)孔隙，這是無(wú)法避免的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)任何手段都無(wú)法達(dá)成致密度100%的陶瓷材料，只有盡可能降低材料的孔隙率，所以，初步得出納米級(jí)別的晶粒尺寸可以提高陶瓷材料的熱導(dǎo)率。

但是從另一方面分析，晶粒越細(xì)小，材料的晶界越多，增大了晶界對(duì)聲子散射的強(qiáng)度，降低材料的導(dǎo)熱性能，例如單晶氧化鋁與多晶氧化鋁的導(dǎo)熱性能差異（如下圖）。所以，陶瓷的晶粒尺寸對(duì)其熱導(dǎo)率的影響還需要更多的研究。

單晶和多晶氧化鋁的熱導(dǎo)率比較

總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，提高氧化鋁粉體的性能會(huì)對(duì)其陶瓷制品的燒結(jié)和導(dǎo)熱性產(chǎn)生積極的影響。除此之外，選擇合適的成型燒結(jié)方式也非常重要，若有機(jī)會(huì)將會(huì)再開(kāi)一文繼續(xù)總結(jié)。

資料來(lái)源：

改性氧化鋁粉體對(duì)其燒結(jié)性及導(dǎo)熱性的影響，夏尊。

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