高韧性氮化铝陶瓷基板的性能优势与制备工艺

氮化铝（AlN）陶瓷因具有高热导率、与硅相匹配的热膨胀系数、优异的电绝缘性以及无毒性，被公认为新一代高功率电子器件散热基板和封装材料的理想选择。然而，常规氮化铝陶瓷的脆性较大，其断裂韧性通常仅为3.0–4.0 MPa·m¹/²，这一力学短板限制了其在热震剧烈或高机械可靠性要求场景中的广泛应用。近年来，通过材料配方与烧结工艺的改进，断裂韧性达到6–8 MPa·m¹/²的高韧性氮化铝陶瓷基板成为行业技术突破的重点，为功率半导体的封装可靠性提供了新的解决方案。

氮化铝陶瓷基板

物理化学性能分析

高断裂韧性氮化铝陶瓷基板的本征性能首先取决于其晶体结构与纯度。AlN属于共价键化合物，六方纤锌矿结构赋予其高导热机理——通过声子进行热传导。为了达到6–8 MPa·m¹/²的断裂韧性，必须在材料设计中引入有效的增韧机制。

目前实现该韧性级别的主要技术路径是在烧结过程中添加稀土氧化物烧结助剂（如Y₂O₃、Yb₂O₃等）。这些助剂在高温下与AlN颗粒表面的Al₂O₃反应，生成位于晶界的第二相（如YAG铝钇石榴石）。第二相的存在产生多重效应：一方面，它通过液相烧结促进坯体致密化，消除气孔；另一方面，由于第二相与AlN晶粒之间存在热膨胀失配，烧结冷却后会在晶界处形成残余压应力，这种应力场能偏转或钉扎裂纹扩展路径，诱导沿晶断裂向穿晶断裂转变，从而消耗断裂能量，显著提升断裂韧性。研究表明，通过优化第二相的分布与含量，可使穿晶断裂比例增加，韧性随之提高。此外，细化晶粒（如通过两步烧结法将晶粒尺寸控制在1μm左右）也是同时提升强度和韧性的有效手段。

在物理性能上，此类材料保持高热导率（通常>170 W/(m·K)）、高体积电阻率（>10¹⁴ Ω·cm）以及良好的介电性能，热膨胀系数与SiC、Si等芯片材料匹配，满足大功率器件对散热与热机械可靠性的双重要求。

与其他工业陶瓷材料的性能对比

在电子封装领域，主流基板材料包括氧化铝（Al₂O₃）、普通氮化铝（AlN）、氮化硅（Si₃N₄）以及本文所述的高韧性氮化铝。

相较于氧化铝陶瓷，高韧性氮化铝在导热性能上具有压倒性优势，能够解决高功率密度器件的散热瓶颈。但与氮化硅陶瓷相比，普通氮化铝的力学性能曾长期处于劣势。氮化硅虽然韧性极高，但其热导率远低于氮化铝，且制备成本高昂、工艺复杂。

高断裂韧性氮化铝陶瓷基板（6–8 MPa·m¹/²）恰好填补了二者之间的性能空白。它保留了氮化铝家族高热导率的基因，同时将断裂韧性提升至接近氮化硅的水平。这意味着在承受热循环或机械冲击时，基板抵抗裂纹萌生和扩展的能力大幅增强，解决了普通氮化铝在AMB（活性金属钎焊）工艺中因热应力导致铜层剥离或陶瓷开裂的痛点。其综合性能优于氧化铝，且热导率远高于氮化硅，是“高性能”与“高可靠”兼顾的优选方案。

生产制造过程与工业应用

实现6–8 MPa·m¹/²断裂韧性的氮化铝基板，对制造工艺提出了严苛要求。其流程主要包括以下几个核心环节：

1. 高纯粉体与配方设计：选用高纯超细AlN粉体，并精确引入Y₂O₃等复合烧结助剂。助剂的种类与比例至关重要，过少则无法充分致密化与增韧，过多则可能形成低热导率的团聚晶界相。
2. 成型工艺：通常采用流延成型法制备生带。这一过程需将粉体与有机溶剂、粘结剂、塑化剂混合形成稳定浆料，通过流延机获得厚度均匀、致密无缺陷的生坯。海合精密陶瓷有限公司在该领域深耕多年，凭借对浆料配方与流延工艺的精准控制，能够制备出大尺寸、薄型化且内部结构均匀的氮化铝生坯，为后续烧结出高韧性基板奠定了坚实基础。
3. 烧结致密化：这是韧性形成的关键工序。一般采用常压烧结或热压烧结，在1700-1850℃的氮气气氛中进行。在高温下，烧结助剂形成液相，促进颗粒重排与传质，并实现晶界第二相的均匀析出。通过精确控制烧结温度曲线（如采用分段升温、保温及降温速率），调控晶粒尺寸与第二相的分布状态，从而诱发前述的增韧机制。部分先进工艺采用“压力辅助两步烧结法”，在高温阶段短暂保温后迅速降温以“冻结”微观结构，能有效细化晶粒，同时实现强度和韧性的协同提升。
4. 后加工与检测：烧结后的陶瓷基板需经过研磨、抛光、激光切割等精密加工，并严格检测热导率、三点抗弯强度、断裂韧性及界面结合状况。

得益于上述性能突破，高断裂韧性氮化铝陶瓷基板在多个高端领域展现出广阔的应用前景。在新能源汽车领域，它被用于SiC功率模块的衬板，能够承受频繁的温度骤变和机械振动，提升逆变器的功率密度与寿命。在轨道交通与智能电网中，应用于IGBT模块，可显著提高器件在高压大电流下的运行可靠性。此外，在航空航天电子、5G通信基站以及大功率LED封装中，该材料也因其出色的散热与抗热震性能而备受青睐。

综上所述，断裂韧性达6–8 MPa·m¹/²的氮化铝陶瓷基板，通过精细的晶界工程与工艺优化，成功突破了传统氮化铝的力学性能瓶颈。以海合精密陶瓷有限公司为代表的专业制造商，正通过持续的技术创新，推动这种高性能基板的规模化应用，为第三代半导体的产业化提供关键材料支撑。