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导热陶瓷有许(xu)多重要(yao)应用(yong)，其中用(yong)量最大也最受关(guan)注的莫过于陶瓷封装基板。尤其是随着(zhe)电子器件(jian)(jian)精密程度的增(zeng)加，元(yuan)件(jian)(jian)的散热问(wen)题也开始变得棘手(shou)，因此对陶瓷基板的要(yao)求也变得更加苛刻。

氧化(hua)铝(lv)导热基板

能够用于(yu)导热的陶瓷材(cai)料(liao)被(bei)成为导热陶瓷材(cai)料(liao)，主要包括SiC、AIN、BeO、Al₂O₃等。其中SiC虽然具有较为优良的导热性以及热膨胀系数，但SiC有半导性，绝缘电阻小；AIN的粉体制备工艺复杂难以掌握，烧结也比较困难，整体成本较高；BeO陶瓷原材料价格昂贵，且BeO粉末具有毒性（但制品无毒）不容易被接受。

而Al₂O₃陶(tao)瓷是目前人类研究最(zui)透彻，应用最(zui)广泛的陶(tao)瓷材料(liao)，具有力学(xue)性能优异、抗腐蚀、耐磨性好、储量(liang)丰富、价格低廉等优点，在高(gao)端行业的关键器件中处(chu)处(chu)可见其(qi)身影。然而Al₂O₃陶(tao)(tao)瓷的导(dao)(dao)热性(xing)能在一众导(dao)(dao)热陶(tao)(tao)瓷中并不(bu)出众，尽管(guan)出色的性(xing)价比让它能够(gou)长期活跃在导(dao)(dao)热陶(tao)(tao)瓷领域(yu)中，但面(mian)对日益苛刻(ke)的导(dao)(dao)热要求，Al₂O₃陶(tao)瓷必须要最大(da)限度地(di)“榨出”潜能，使制品热导率持续接近其理论值，才可持久发展下去。

影响材料热导率(lv)的原(yuan)因及解决方法(fa)

对绝缘陶瓷材料来说，声子(zi)的传播决(jue)定了材料(liao)的热导率。声(sheng)子(zi)类似于点阵波(bo)，与光同样具(ju)有波(bo)动性，因(yin)此它在绝缘(yuan)陶瓷材(cai)料内部的(de)传(chuan)(chuan)递(di)会与光具(ju)有相同之(zhi)处。光在陶瓷材(cai)料中传(chuan)(chuan)播的(de)阻碍(ai)主要(yao)为杂质、气孔和晶界对(dui)光的(de)吸收和散射(she)，那(nei)么热的(de)传(chuan)(chuan)递(di)也应(ying)如(ru)此，主要(yao)体(ti)现在材料的孔隙率(lv)、晶(jing)界、点缺陷、杂质(zhi)等对声子传播的影响(xiang)。

热量在(zai)陶瓷材料表面、晶界、气孔以(yi)及(ji)杂质中的传递过(guo)程模拟图(tu)

以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)几个参数，其实都和(he)陶瓷的(de)(de)(de)制备工(gong)艺有着非常紧密的(de)(de)(de)关系。而在(zai)陶瓷材料的(de)(de)(de)制备过程中，原(yuan)料粉体的(de)(de)(de)制备是非常重要的(de)(de)(de)一个环节，可以(yi)说它们(men)直(zhi)接决定(ding)了陶瓷成品的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)(neng)。因此要提(ti)高陶瓷导热(re)性(xing)能(neng)(neng)(neng)，必须要研究清(qing)楚原(yuan)料对相关性(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)影(ying)响(xiang)机制。以(yi)下就从(cong)几个影(ying)响(xiang)陶瓷导热(re)性(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)主要因素出发，分析原(yuan)料对其的(de)(de)(de)影(ying)响(xiang)。

①致(zhi)密度(du)

致密(mi)(mi)度对陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)性能有着直接(jie)显著的(de)(de)(de)(de)影响，对于导(dao)热性能来(lai)说，陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)致密(mi)(mi)度越高其导(dao)热性能越好(hao)，主要体现在(zai)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)低(di)气孔(kong)率，即气孔(kong)越少，声(sheng)子传(chuan)播的(de)(de)(de)(de)阻力越小，陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)导(dao)热性能越好(hao)。Zivcova等用淀粉作成孔剂制备了不同气孔率的氧化铝陶瓷材料，探究了气孔率对氧化铝陶瓷热导率的影响，实验表明，在相同温度下，气孔率(lv)越(yue)(yue)大热(re)导率(lv)越(yue)(yue)低。

目(mu)前行(xing)业内一般(ban)会采(cai)用(yong)球形度高(gao)的氧(yang)化铝(lv)粉体作为原料。曾有研究员使用(yong)片状氧(yang)化铝(lv)粉体进行(xing)干压成型和烧(shao)结后，制(zhi)备出互锁多孔结构的氧(yang)化铝(lv)陶瓷(ci)，其(qi)密度为0.920g/cm³，气孔率达到(dao)了76.34%，显(xian)然不适合作为导热陶瓷使用。而球形粉体具有更高的流动性，会对后续(xu)的成型和烧结会产生积(ji)极的影响(xiang)，比如说(shuo)Liu F等(deng)就在5.5GPa和900℃的高(gao)压环(huan)境下采用球(qiu)形氧(yang)化铝粉(fen)体成功制备出了高(gao)致密(mi)度(du)且近乎透(tou)明的氧(yang)化铝陶瓷。若原始(shi)粉(fen)体球(qiu)形度(du)不足时，也可以(yi)加入粘结剂(ji)对粉(fen)末(mo)进行造粒，形成类球(qiu)状(zhuang)的形貌，同样能有效提高(gao)陶瓷的致密(mi)度(du)。

类球形氧化铝和片状氧化铝

但球形度到位后也要注意粉末的粒度(du)分布(bu)。JMa等对此进行了研究，他们将烧结分为初、中、后期三个阶段，较宽粒度分布的粉体因提高了生坯的密度所以在烧结初期可使陶瓷的致密化速率加快，除此之外，在烧结中期，宽粒度分布的粉体提高了晶粒生长的速率，材料中的封闭隔离孔被嵌入较大的颗粒状基体中，因此具有更好的烧结性，而且有助于在烧结后期保持较高的烧结速度。但是较宽的粒度分布会导致材料局部颗粒的堆积而产生致密化的差异，甚至在超过一定的粒度分布时，烧结体的晶粒尺寸会过大，孔结构变粗。

②杂质

陶瓷材料(liao)的(de)(de)导热性能(neng)受(shou)杂质含量的(de)(de)影响很(hen)大，主要分(fen)为两(liang)种形(xing)式，一是(shi)粉体原料(liao)的(de)(de)纯(chun)度(du);二(er)是(shi)在烧(shao)结过程中所(suo)添加(jia)的(de)(de)烧(shao)结助剂。

陶(tao)瓷(ci)(ci)原料(liao)(liao)的(de)纯度指的(de)是材料(liao)(liao)中主要(yao)成分占总(zong)成分的(de)百分含量(liang)。陶(tao)瓷(ci)(ci)粉体中或多(duo)或少都会(hui)含有(you)杂质(zhi)，这些(xie)杂质(zhi)包括(kuo)一(yi)些(xie)氧化(hua)物或金属离子，以及一(yi)些(xie)杂相。例如(ru)，氧化(hua)铝中的(de)杂质(zhi)往往为(wei)制备(bei)过程中的(de)粉尘、大颗粒异物、设备(bei)加工(gong)带(dai)入的(de)金属杂质(zhi)等。除(chu)此之外，还包括(kuo)一(yi)些(xie)杂相，比如(ru)结(jie)构疏松的(de)β-Al₂O₃、γ-Al₂O₃，若(ruo)其(qi)存在会(hui)影响材料成型(xing)之后(hou)的密度(du)，从(cong)而(er)影响导热性(xing)能。另外(wai)，氧化(hua)铝(lv)陶瓷粉体中还(hai)会(hui)存在一些杂质离子，如Na⁺、K⁺、Mg⁺和(he)Ca²⁺等，它们的(de)存(cun)在会加强粒子对声子的(de)散射、增(zeng)加声子传(chuan)播(bo)自由(you)程，使材料的(de)热导(dao)率降低。

在(zai)陶瓷(ci)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)烧(shao)(shao)(shao)结(jie)工(gong)艺中，加(jia)入(ru)烧(shao)(shao)(shao)结(jie)助剂是为(wei)了(le)降低(di)陶瓷(ci)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)烧(shao)(shao)(shao)结(jie)温度，防止(zhi)因晶粒(li)的(de)(de)(de)急剧长大(da)(da)而导(dao)致的(de)(de)(de)晶粒(li)尺(chi)寸不(bu)(bu)均(jun)匀以及减少材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)气孔率，这对提高陶瓷(ci)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)致密(mi)度有(you)很大(da)(da)作用。但同(tong)时也相当于(yu)引入(ru)了(le)杂(za)质，可能会(hui)对其导(dao)热性能产生不(bu)(bu)利的(de)(de)(de)影响。

但这不(bu)(bu)代表烧结助剂不(bu)(bu)该加，主要得看(kan)最终效(xiao)果。比如说(shuo)AlN在Y₂O₃烧结(jie)助剂作(zuo)用下，经过1800℃煅烧后，热导率还比较低，因为其晶粒和晶界间还存在少量氧元素和烧结助剂引入的杂质元素，当在N₂气氛1900℃煅烧100h后，晶粒与晶界中的氧含量减少，晶界中的杂质元素消失，AlN热导率提升至272W/（m·K），这表明烧结助剂的加入是为了减少AlN中存在的氧原子，从而减少其中存在的杂质，提高热导率。

③晶粒尺寸

声子传播的(de)(de)过程中会受到各方面(mian)因(yin)素(su)的(de)(de)影(ying)响(xiang)，而这其中，晶粒尺寸对材料(liao)的(de)(de)导热系数影(ying)响(xiang)也很(hen)大，Pabst等采用两步相混合建模的方法计算了纯氧化铝-氧化锆陶瓷材料不同晶粒尺寸的热导率，并与实验所得的结果进行了对比。

他们得(de)出(chu)：材料(liao)的(de)实际(ji)热导率(lv)要(yao)比理论计算(suan)得(de)出(chu)的(de)要(yao)低，是因为(wei)陶瓷中存(cun)在纳(na)米(mi)(mi)级别的(de)孔隙(xi)率(lv)，造成了(le)热导率(lv)的(de)差异，而不仅(jin)仅(jin)是晶(jing)粒尺寸(cun)的(de)问题。由此可见，晶(jing)粒尺寸(cun)决定了(le)孔隙(xi)的(de)尺寸(cun)，如果晶(jing)粒尺寸(cun)处于纳(na)米(mi)(mi)级别，材料(liao)中会出(chu)现极难消除的(de)纳(na)米(mi)(mi)级孔隙(xi)，这(zhei)是无(wu)法(fa)避免的(de)，因为(wei)通(tong)过任何手段都(dou)无(wu)法(fa)达成致密度100%的陶瓷材料，只有尽可能降低材料的孔隙率，所以，初步得出纳米级(ji)别的晶粒尺寸可以提高陶瓷材料(liao)的热导率(lv)。

但(dan)是(shi)从另一(yi)方面分(fen)析(xi)，晶(jing)(jing)(jing)粒(li)越(yue)细小，材料(liao)的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)越(yue)多(duo)，增(zeng)大了晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)对声(sheng)子散射的(de)(de)强(qiang)度，降低材料(liao)的(de)(de)导(dao)热(re)性能，例如(ru)(ru)单晶(jing)(jing)(jing)氧(yang)化(hua)铝(lv)与多(duo)晶(jing)(jing)(jing)氧(yang)化(hua)铝(lv)的(de)(de)导(dao)热(re)性能差异(yi)（如(ru)(ru)下图）。所以，陶瓷的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)尺寸对其热(re)导(dao)率的(de)(de)影(ying)响(xiang)还需要更多(duo)的(de)(de)研究(jiu)。

单晶和(he)多晶氧化铝的热导率比较

总结(jie)

总的(de)(de)来说，提高氧化铝(lv)粉体的(de)(de)性(xing)能(neng)会对其陶瓷制(zhi)品的(de)(de)烧结和导热性(xing)产生积极的(de)(de)影响。除此之外，选择合适(shi)的(de)(de)成型烧结方式也(ye)非常重(zhong)要，若有机会将会再(zai)开一文继续总结。

资(zi)料来源：

改性氧化铝粉体(ti)对其烧结性及导(dao)热(re)性的影响，夏(xia)尊。

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