你家的氮化铝“防水”做好了吗？

随着信息技术革命的到来，集成电路产业飞速发展，电子系统集成度的提高将导致功率密度升高，以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加，因此，有效的电子封装必须解决电子系统的散热问题。拥有高导热特性的氮化铝自然受到国内外研究者的普遍关注。

AlN粉末样品

优秀归优秀，“水解”很致命

目前，氮化铝在高导热领域的应用主要集中在封装基板和导热填料。AlN热导率理论上可达到320W/(m·k)，实际上，多晶AlN的热导率一般为100 W/(m·k) ~ 200 W/(m·k)，室温热导率为Al₂O₃的10~15倍原料粉体的特性，被认为是微电子领域中半导体基板和电子封装的理想材料。

AlN作为无机填料对覆铜板的制备，能有效提高板材的导热性能，并且随着氮化铝投放比例的增加，覆铜板的导热系数逐渐提高，当氮化铝比例为45%时对材料的导热性能提升最为明显。同时AlN还可作为导热填料，填充于硅油、树脂、橡胶等有机物中，来制备强化热源与散热器之间热传导的导热界面材料。

AlN粉体的制备方法多样，目前工业化生产主要采用直接氮化法、碳热还原氮化法和高温自蔓延法。在氮化铝粉体制备中，碳热还原法独占鳌头，占了将近五成的比例，其次是直接氮化法和自蔓延法，分别为26%和12%，这三种方法也是实现了工业化应用的方法。等离子体法和化学气相沉积法仍局限于试验规模，尚无大规模生产应用。

AlN粉体的主要制备方法及特点

纵观全球AlN行业，国内对AlN材料的研究水平与国际上有着很大差距，AlN的商品化程度较低，高质量的AlN产品主要依赖进口。目前，优质AlN产品的生产主要集中在日本、德国、美国等发达国家，其中日本的Al₂O₃粉碳热还原法和Al粉直接氮化法、德国的Al粉直接氮化法以及美国的Al₂O₃粉碳热还原法所制备的AlN品质均被世界所认可。实现高性能AlN制造技术的国产专业化，已成为我国高新技术产业的当务之急。

但由于受到生产技术的制约以及各种环境因素的影响，想要生产出高纯AlN粉体是相当困难的，就目前世界先进水平来看，也只能做到很接近而已。而AlN粉体自身的水解行为无疑会带来很多不必要的麻烦，AlN粉体易吸收空气中的水发生水解反应，使其表面包覆上一层氢氧化铝薄膜，导致导热通路中断且声子的传递受到影响，并且其大含量填充会使聚合物粘度大大提高，不利于成型加工，若直接遇水，AlN粉体水解会更加严重。

总的来讲，AlN粉体极易水解，一方面给其运输、存储带来了困难，更重要的是AlN粉体水解后，其N含量降低，将显著降低AlN陶瓷的性能；同时，AlN粉体的易水解性也阻碍了AlN陶瓷水基成型工艺的发展。

粉体改性破氮化铝“水解之谜”

单纯的只防备粉体制备和存储过程与水分的接触是完全不够的，所以为解决AlN粉体的抗水解能力，提高其使用价值，需要对其进行改性处理，降低粉体表面对水的化学活性是较为可靠的方式。在不断的摸索中人们渐渐总结了三种主要的改性方法：热处理法、有机表面改性和无机表面改性。

（1）热处理法

热处理法是通过对AlN粉体进行热处理，使表面发生氧化形成一层致密的Al₂O₃薄膜来提高粉体的抗水解能力，通过氧含量、温度、氧化时间来控制它的形成与分布。通过热处理法对AlN粉体进行表面改性相对来说工艺简单，成本低廉，虽然可以达到一定的抗水解效果，但AlN的氮含量会有较大损失，不适合作为高质量AlN储存的表面改性方法，这对制备高性能AlN功能陶瓷来说影响极大。

（2）有机表面改性

有机长链分子，如羧酸，可以作为一种有效的表面改性剂来对AlN粉体进行表面改性处理，处理后的AlN粉体不仅疏水性得到提高，而且还可以在一定程度上改善AlN粉体在液体悬浮液中的分散性。

偶联剂是一种能够改善无机物和有机物之间界面特性的一类改性添加剂，其分子结构存在两种性质不同的基团，一种基团可与有机材料其化学反应或有良好的相容性，另一种基团可与无机材料形成化合键，通过偶联剂的“搭桥”作用，提高了两种性质相反的材料之间的界面粘合性。常见的偶联剂主要是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸偶联剂。

无论是有机物种类的选择还是有机溶剂的选择以及其他因素的考量，在众多有机物中进行合理的搭配使用往往会达到令人满意的效果，但如何控制并发挥这些参数的影响价值是每个科研工作者在实验探索中必经的一个过程。是选用有机酸、表面活性剂、偶联剂还是其他类型的有机物效果更好，亦或是多种有机配合使用效果更好，都需要在之后每一次实验中进行验证。

（3）无机表面改性

无机改性的反应条件往往选择在较高的温度下进行，以达到改性剂与AlN粉体有更好的接触和包覆效果。目前，采用磷酸对AlN粉体进行表面改性以提高其水解性能的研究有不少相关报道，通过磷酸酸洗可使AlN粉体表面发生钝化，从而提高其抗水解性能。与亚微米颗粒相比，磷酸酸洗对改善纳米颗粒的AlN粉抗水解效果更为显著，主要是由于纳米颗粒AlN粉体所受的磷酸保护层更好。

另外，利用磷酸与表面活性剂（如Al(H₂PO₄)₃）对AlN粉体进行表面改性处理，不仅可以在AlN粉体表面形成磷酸盐保护层提高抗水解性能，并且还能改善AlN粉体的分散性。该种改性方法成本低廉、改性效果好，是一种具有实用价值和应用前景的处理方法。

小结

随着半导体、航空航天、新能源、5G通讯等领域高端装备的发展，高功率和高热流密度器件的散热问题已经成为制约器件使用寿命和可靠性的关键，AlN作为一种特殊且重要的散热材料，得到越来越广泛的应用。AlN粉体的易水解性使其应用范围受到了一定的限制。因此，对AlN粉体原料的水解行为进行深入研究的基础上，再对其进行表面改性，以提高AlN 粉体原料的抗水解能力，是一个非常重要的研究课题。

来源：

何金秀等：AIN 粉体水解行为及其抗水解改性的研究进展

朱九楼：氮化铝粉末的无机表面改性及其烧结制备