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导热陶瓷有许多重(zhong)要应用，其中用量(liang)最大也最受关注的莫过于陶瓷封装基板。尤其是(shi)随着电子器(qi)件精密程度的增加，元件的散热问题也开始(shi)变得棘手，因此对陶瓷基板的要求也变得更加苛刻。

氧化铝导热(re)基(ji)板

能(neng)够(gou)用于导(dao)热的陶(tao)(tao)瓷材料(liao)被成(cheng)为导(dao)热陶(tao)(tao)瓷材料(liao)，主要包(bao)括(kuo)SiC、AIN、BeO、Al₂O₃等。其中(zhong)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陶瓷(ci)是目前人类研(yan)究最(zui)透彻，应用最(zui)广泛的(de)陶瓷(ci)材料，具有力学(xue)性能优异、抗(kang)腐(fu)蚀(shi)、耐磨性好、储量丰富(fu)、价(jia)格低廉等优点，在高端行业(ye)的(de)关键(jian)器(qi)件中处(chu)处(chu)可见其身影(ying)。然而Al₂O₃陶瓷的导热(re)性(xing)能(neng)在一众(zhong)导热(re)陶瓷中(zhong)并不出(chu)众(zhong)，尽管出(chu)色的性(xing)价(jia)比让它(ta)能(neng)够长(zhang)期活跃在导热(re)陶瓷领域中(zhong)，但面对日益苛刻的导热(re)要求(qiu)，Al₂O₃陶瓷必须要(yao)最(zui)大限度地(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(ying)响材料热导率的原(yuan)因及解(jie)决方法(fa)

对绝缘陶瓷材(cai)料来说，声子的传播(bo)决定了(le)材料的热(re)导(dao)率。声子类似于(yu)点阵波，与光同(tong)样具有波动性，因此它在绝(jue)缘陶瓷材料内部的(de)传(chuan)递(di)会(hui)与光具有相同(tong)之处。光在陶瓷材料中传(chuan)播的(de)阻碍(ai)主要为杂质、气孔和(he)晶界(jie)对光的(de)吸收和(he)散射，那么热的(de)传(chuan)递(di)也应如此，主要体现在材料(liao)的孔隙率、晶界、点缺陷、杂质等对声(sheng)子传播的(de)影响。

热量在陶瓷材料表面、晶(jing)界、气孔以及杂质中的(de)传(chuan)递过(guo)程模拟图

以(yi)上的几(ji)个参数，其实都和陶瓷(ci)(ci)的制(zhi)备(bei)工(gong)艺有着非(fei)常(chang)(chang)紧(jin)密的关系。而在陶瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)的制(zhi)备(bei)过程中，原(yuan)料(liao)粉体(ti)的制(zhi)备(bei)是非(fei)常(chang)(chang)重要(yao)的一个环节(jie)，可以(yi)说(shuo)它们(men)直接决定(ding)了陶瓷(ci)(ci)成品的性(xing)能。因此要(yao)提高陶瓷(ci)(ci)导热(re)(re)性(xing)能，必须(xu)要(yao)研究清楚原(yuan)料(liao)对相关性(xing)能的影(ying)响机(ji)制(zhi)。以(yi)下就从几(ji)个影(ying)响陶瓷(ci)(ci)导热(re)(re)性(xing)能的主要(yao)因素出发，分析原(yuan)料(liao)对其的影(ying)响。

①致密度

致密(mi)度(du)对陶瓷材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)性能(neng)有着直(zhi)接显著的(de)(de)影(ying)响(xiang)，对于导热性能(neng)来说，陶瓷材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)致密(mi)度(du)越(yue)高其导热性能(neng)越(yue)好(hao)，主要(yao)体现(xian)在(zai)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)低气孔(kong)率(lv)，即气孔(kong)越(yue)少，声子(zi)传播的(de)(de)阻(zu)力越(yue)小，陶瓷材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)导热性能(neng)越(yue)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(kong)率(lv)越大热导率(lv)越低。

目前(qian)行业(ye)内一般会(hui)采用(yong)球形度高的(de)氧化铝粉体作为原(yuan)料。曾有(you)研(yan)究员(yuan)使用(yong)片状氧化铝粉体进行干(gan)压成型(xing)和烧结(jie)后，制备出(chu)互锁多孔结(jie)构(gou)的(de)氧化铝陶瓷，其(qi)密(mi)度为0.920g/cm³，气孔率达到了76.34%，显然不适合作(zuo)为导热陶瓷使用(yong)。而球形粉(fen)体具有更高的(de)流动性，会(hui)对后续的(de)成型和烧(shao)结会(hui)产生积(ji)极的(de)影响，比(bi)如说(shuo)Liu F等就在5.5GPa和900℃的(de)(de)高(gao)压环境下(xia)采用(yong)球形(xing)氧化(hua)铝粉体成(cheng)功制备出了高(gao)致(zhi)密(mi)度(du)且近乎透明(ming)的(de)(de)氧化(hua)铝陶瓷(ci)。若(ruo)原始粉体球形(xing)度(du)不足时，也可以(yi)加入(ru)粘(zhan)结(jie)剂(ji)对(dui)粉末进(jin)行造粒，形(xing)成(cheng)类球状的(de)(de)形(xing)貌，同样能有效提高(gao)陶瓷(ci)的(de)(de)致(zhi)密(mi)度(du)。

类球(qiu)形氧化铝和片(pian)状氧化铝

但球形度(du)到位(wei)后也(ye)要注意粉末的粒度分布(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)导热性能受杂质含量的(de)影响很大，主(zhu)要分为两种形(xing)式，一是粉体(ti)原料(liao)的(de)纯度;二是在烧(shao)结(jie)过程中(zhong)所添加的(de)烧(shao)结(jie)助剂。

陶(tao)瓷原料的(de)(de)纯度指的(de)(de)是材料中(zhong)(zhong)主要成(cheng)分占总成(cheng)分的(de)(de)百分含量(liang)。陶(tao)瓷粉体中(zhong)(zhong)或多或少(shao)都会(hui)含有杂(za)质(zhi)，这些(xie)杂(za)质(zhi)包(bao)括一(yi)些(xie)氧化(hua)物(wu)或金属(shu)离(li)子(zi)，以及(ji)一(yi)些(xie)杂(za)相。例如，氧化(hua)铝中(zhong)(zhong)的(de)(de)杂(za)质(zhi)往(wang)往(wang)为制备(bei)过程中(zhong)(zhong)的(de)(de)粉尘(chen)、大(da)颗粒异(yi)物(wu)、设备(bei)加工带入的(de)(de)金属(shu)杂(za)质(zhi)等。除此之外，还包(bao)括一(yi)些(xie)杂(za)相，比如结构疏松的(de)(de)β-Al₂O₃、γ-Al₂O₃，若其存(cun)(cun)在会(hui)影(ying)响材料成型之后的密度，从而(er)影(ying)响导热性能。另外，氧化铝陶瓷粉体中还会(hui)存(cun)(cun)在一些杂(za)质离子，如Na⁺、K⁺、Mg⁺和Ca²⁺等，它们的存在会加强粒子(zi)对声子(zi)的散射(she)、增加声子(zi)传(chuan)播(bo)自由程，使材料的热导率降低(di)。

在陶(tao)瓷(ci)材料的(de)(de)烧结(jie)工艺中，加入烧结(jie)助剂是为了(le)降低(di)陶(tao)瓷(ci)材料的(de)(de)烧结(jie)温(wen)度，防止因晶粒(li)的(de)(de)急剧长大而导致的(de)(de)晶粒(li)尺寸(cun)不均匀以及(ji)减少材料的(de)(de)气(qi)孔率，这对提高陶(tao)瓷(ci)材料的(de)(de)致密度有很大作用(yong)。但同时(shi)也(ye)相(xiang)当(dang)于(yu)引入了(le)杂质，可能会对其导热性能产生不利(li)的(de)(de)影(ying)响。

但(dan)这不(bu)代表(biao)烧结助剂不(bu)该加，主要得看最终效果(guo)。比如(ru)说AlN在Y₂O₃烧结助(zhu)剂作用下，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(sheng)子传(chuan)播的(de)过程(cheng)中会受到各(ge)方面(mian)因素的(de)影响，而这其(qi)中，晶粒(li)尺(chi)寸对材料的(de)导热系数影响也很大，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。

他们得出：材料的实际(ji)热导率(lv)(lv)要(yao)比(bi)理(li)论计(ji)算得出的要(yao)低，是因(yin)为(wei)陶瓷中(zhong)存在纳米级(ji)别(bie)(bie)的孔(kong)隙率(lv)(lv)，造成了(le)热导率(lv)(lv)的差异，而不仅(jin)(jin)仅(jin)(jin)是晶粒(li)尺(chi)寸的问(wen)题。由(you)此可见，晶粒(li)尺(chi)寸决定了(le)孔(kong)隙的尺(chi)寸，如(ru)果(guo)晶粒(li)尺(chi)寸处于纳米级(ji)别(bie)(bie)，材料中(zhong)会(hui)出现极(ji)难消(xiao)除(chu)的纳米级(ji)孔(kong)隙，这(zhei)是无(wu)法避免(mian)的，因(yin)为(wei)通过任何手段都无(wu)法达成致(zhi)密度100%的陶瓷材料，只有尽可能降低材料的孔隙率，所以，初步得出纳米级别的(de)晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)可以提(ti)高陶(tao)瓷材料的(de)热导率。

但是从另一方面分析，晶粒越(yue)细小，材(cai)料的晶界越(yue)多(duo)，增大(da)了晶界对(dui)(dui)声(sheng)子(zi)散射(she)的强度，降(jiang)低材(cai)料的导(dao)(dao)热性(xing)能(neng)，例如单晶氧化铝与(yu)多(duo)晶氧化铝的导(dao)(dao)热性(xing)能(neng)差异（如下图）。所(suo)以，陶瓷的晶粒尺寸对(dui)(dui)其热导(dao)(dao)率的影响还需要更(geng)多(duo)的研究(jiu)。

单晶和多晶氧化(hua)铝(lv)的热导率(lv)比(bi)较(jiao)

 

总结

总的(de)来说，提高氧化(hua)铝(lv)粉体(ti)的(de)性(xing)能(neng)会(hui)对(dui)其陶瓷制品(pin)的(de)烧结(jie)(jie)和导热性(xing)产生积极的(de)影(ying)响(xiang)。除此之外(wai)，选择合适的(de)成型烧结(jie)(jie)方式也非常(chang)重要，若有(you)机会(hui)将会(hui)再开一文继续总结(jie)(jie)。

 

资料来源：

改(gai)性氧化铝粉体对其烧(shao)结性及导热(re)性的(de)影响，夏(xia)尊。

 

粉体圈(quan)整(zheng)理

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