從原料角度看：提高氧化鋁陶瓷熱導率的幾個(gè)要點(diǎn)

導熱陶瓷有許多重要應用，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(zhù)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，因此對陶瓷基板的要求也變得更加苛刻。

能夠用于導熱的陶瓷材料被成為導熱陶瓷材料，主要包括SiC、AIN、BeO、Al₂O₃等。其中SiC雖然具有較為優(yōu)良的導熱性以及熱膨脹系數，但SiC有半導性，絕緣電阻??；AIN的粉體制備工藝復雜難以掌握，燒結也比較困難，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陶瓷的導熱性能在一眾導熱陶瓷中并不出眾，盡管出色的性?xún)r(jià)比讓它能夠長(cháng)期活躍在導熱陶瓷領(lǐng)域中，但面對日益苛刻的導熱要求，Al₂O₃陶瓷必須要最大限度地“榨出”潛能，使制品熱導率持續接近其理論值，才可持久發(fā)展下去。

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，其實(shí)都和陶瓷的制備工藝有著(zhù)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，可以說(shuō)它們直接決定了陶瓷成品的性能。因此要提高陶瓷導熱性能，必須要研究清楚原料對相關(guān)性能的影響機制。以下就從幾個(gè)影響陶瓷導熱性能的主要因素出發(fā)，分析原料對其的影響。

①致密度

致密度對陶瓷材料的性能有著(zhù)直接顯著(zhù)的影響，對于導熱性能來(lái)說(shuō)，陶瓷材料的致密度越高其導熱性能越好，主要體現在材料的低氣孔率，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，探究了氣孔率對氧化鋁陶瓷熱導率的影響，實(shí)驗表明，在相同溫度下，氣孔率越大熱導率越低。

目前行業(yè)內一般會(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)行干壓成型和燒結后，制備出互鎖多孔結構的氧化鋁陶瓷，其密度為0.920g/cm3，氣孔率達到了76.34%，顯然不適合作為導熱陶瓷使用。而球形粉體具有更高的流動(dòng)性，會(huì )對后續的成型和燒結會(huì )產(chǎn)生積極的影響，比如說(shuō)LiuF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)，也可以加入粘結劑對粉末進(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等對此進(jìn)行了研究，他們將燒結分為初、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初期可使陶瓷的致密化速率加快，除此之外，在燒結中期，寬粒度分布的粉體提高了晶粒生長(cháng)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性，而且有助于在燒結后期保持較高的燒結速度。但是較寬的粒度分布會(huì )導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)，燒結體的晶粒尺寸會(huì )過(guò)大，孔結構變粗。

②雜質(zhì)

陶瓷材料的導熱性能受雜質(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;二是在燒結過(guò)程中所添加的燒結助劑。

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，比如結構疏松的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 )加強粒子對聲子的散射、增加聲子傳播自由程，使材料的熱導率降低。

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

但這不代表燒結助劑不該加，主要得看最終效果。比如說(shuō)AlN在Y2O3燒結助劑作用下，經(jīng)過(guò)1800℃煅燒后，熱導率還比較低，因為其晶粒和晶界間還存在少量氧元素和燒結助劑引入的雜質(zhì)元素，當在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熱導率提升至272W/（m·K），這表明燒結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，晶粒尺寸對材料的導熱系數影響也很大，Pabst等采用兩步相混合建模的方法計算了純氧化鋁-氧化鋯陶瓷材料不同晶粒尺寸的熱導率，并與實(shí)驗所得的結果進(jìn)行了對比。

他們得出：材料的實(shí)際熱導率要比理論計算得出的要低，是因為陶瓷中存在納米級別的孔隙率，造成了熱導率的差異，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別，材料中會(huì )出現極難消除的納米級孔隙，這是無(wú)法避免的，因為通過(guò)任何手段都無(wú)法達成致密度100%的陶瓷材料，只有盡可能降低材料的孔隙率，所以，初步得出納米級別的晶粒尺寸可以提高陶瓷材料的熱導率。

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