高韌性氮化鋁陶瓷基板的性能優勢與制備工藝

氮化鋁（AlN）陶瓷因具有高熱導率、與硅相匹配的熱膨脹系數、優異的電絕緣性以及無毒性，被公認為新一代高功率電子器件散熱基板和封裝材料的理想選擇。然而，常規氮化鋁陶瓷的脆性較大，其斷裂韌性通常僅為3.0–4.0 MPa·m1/2，這一力學短板限制了其在熱震劇烈或高機械可靠性要求場景中的廣泛應用。近年來，通過材料配方與燒結工藝的改進，斷裂韌性達到6–8 MPa·m1/2的高韌性氮化鋁陶瓷基板成為行業技術突破的重點，為功率半導體的封裝可靠性提供了新的解決方案。

氮化鋁陶瓷基板

物理化學性能分析

高斷裂韌性氮化鋁陶瓷基板的本征性能首先取決于其晶體結構與純度。AlN屬于共價鍵化合物，六方纖鋅礦結構賦予其高導熱機理——通過聲子進行熱傳導。為了達到6–8 MPa·m1/2的斷裂韌性，必須在材料設計中引入有效的增韌機制。

目前實現該韌性級別的主要技術路徑是在燒結過程中添加稀土氧化物燒結助劑（如Y?O?、Yb?O?等）。這些助劑在高溫下與AlN顆粒表面的Al?O?反應，生成位于晶界的第二相（如YAG鋁釔石榴石）。第二相的存在產生多重效應：一方面，它通過液相燒結促進坯體致密化，消除氣孔；另一方面，由于第二相與AlN晶粒之間存在熱膨脹失配，燒結冷卻后會在晶界處形成殘余壓應力，這種應力場能偏轉或釘扎裂紋擴展路徑，誘導沿晶斷裂向穿晶斷裂轉變，從而消耗斷裂能量，顯著提升斷裂韌性。研究表明，通過優化第二相的分布與含量，可使穿晶斷裂比例增加，韌性隨之提高。此外，細化晶粒（如通過兩步燒結法將晶粒尺寸控制在1μm左右）也是同時提升強度和韌性的有效手段。

氮化鋁陶瓷加工精度

在物理性能上，此類材料保持高熱導率（通常>170 W/(m·K)）、高體積電阻率（>101? Ω·cm）以及良好的介電性能，熱膨脹系數與SiC、Si等芯片材料匹配，滿足大功率器件對散熱與熱機械可靠性的雙重要求。

與其他工業陶瓷材料的性能對比

在電子封裝領域，主流基板材料包括氧化鋁（Al?O?）、普通氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si?N?）以及本文所述的高韌性氮化鋁。

相較于氧化鋁陶瓷，高韌性氮化鋁在導熱性能上具有壓倒性優勢，能夠解決高功率密度器件的散熱瓶頸。但與氮化硅陶瓷相比，普通氮化鋁的力學性能曾長期處于劣勢。氮化硅雖然韌性極高，但其熱導率遠低于氮化鋁，且制備成本高昂、工藝復雜。

高斷裂韌性氮化鋁陶瓷基板（6–8 MPa·m1/2）恰好填補了二者之間的性能空白。它保留了氮化鋁家族高熱導率的基因，同時將斷裂韌性提升至接近氮化硅的水平。這意味著在承受熱循環或機械沖擊時，基板抵抗裂紋萌生和擴展的能力大幅增強，解決了普通氮化鋁在AMB（活性金屬釬焊）工藝中因熱應力導致銅層剝離或陶瓷開裂的痛點。其綜合性能優于氧化鋁，且熱導率遠高于氮化硅，是“高性能”與“高可靠”兼顧的優選方案。

氮化鋁陶瓷性能參數

生產制造過程與工業應用

實現6–8 MPa·m1/2斷裂韌性的氮化鋁基板，對制造工藝提出了嚴苛要求。其流程主要包括以下幾個核心環節：

1. 高純粉體與配方設計：選用高純超細AlN粉體，并精確引入Y?O?等復合燒結助劑。助劑的種類與比例至關重要，過少則無法充分致密化與增韌，過多則可能形成低熱導率的團聚晶界相。
2. 成型工藝：通常采用流延成型法制備生帶。這一過程需將粉體與有機溶劑、粘結劑、塑化劑混合形成穩定漿料，通過流延機獲得厚度均勻、致密無缺陷的生坯。海合精密陶瓷有限公司在該領域深耕多年，憑借對漿料配方與流延工藝的精準控制，能夠制備出大尺寸、薄型化且內部結構均勻的氮化鋁生坯，為后續燒結出高韌性基板奠定了堅實基礎。
3. 燒結致密化：這是韌性形成的關鍵工序。一般采用常壓燒結或熱壓燒結，在1700-1850℃的氮氣氣氛中進行。在高溫下，燒結助劑形成液相，促進顆粒重排與傳質，并實現晶界第二相的均勻析出。通過精確控制燒結溫度曲線（如采用分段升溫、保溫及降溫速率），調控晶粒尺寸與第二相的分布狀態，從而誘發前述的增韌機制。部分先進工藝采用“壓力輔助兩步燒結法”，在高溫階段短暫保溫后迅速降溫以“凍結”微觀結構，能有效細化晶粒，同時實現強度和韌性的協同提升。
4. 后加工與檢測：燒結后的陶瓷基板需經過研磨、拋光、激光切割等精密加工，并嚴格檢測熱導率、三點抗彎強度、斷裂韌性及界面結合狀況。

得益于上述性能突破，高斷裂韌性氮化鋁陶瓷基板在多個高端領域展現出廣闊的應用前景。在新能源汽車領域，它被用于SiC功率模塊的襯板，能夠承受頻繁的溫度驟變和機械振動，提升逆變器的功率密度與壽命。在軌道交通與智能電網中，應用于IGBT模塊，可顯著提高器件在高壓大電流下的運行可靠性。此外，在航空航天電子、5G通信基站以及大功率LED封裝中，該材料也因其出色的散熱與抗熱震性能而備受青睞。

綜上所述，斷裂韌性達6–8 MPa·m1/2的氮化鋁陶瓷基板，通過精細的晶界工程與工藝優化，成功突破了傳統氮化鋁的力學性能瓶頸。以海合精密陶瓷有限公司為代表的專業制造商，正通過持續的技術創新，推動這種高性能基板的規模化應用，為第三代半導體的產業化提供關鍵材料支撐。