山東埃爾派 | 點擊量：0次 | 2020-11-21
全世界年產量不足1萬噸？高性能氮化鋁粉體制備難在哪里！
摘要
氮化鋁(AlN)陶瓷具有良好的熱性能、電性能、機械性能和化學穩定性，是現今較為理想的基板材料和電子封裝材料。AlN陶瓷的優良性能與原材料粉體的性能有著直接的關系，高性能
氮化鋁(AlN)陶瓷具有良好的熱性能、電性能、機械性能和化學穩定性，是現今較為理想的基板材料和電子封裝材料。AlN陶瓷的優良性能與原材料粉體的性能有著直接的關系，高性能AlN粉體是制備高熱導率AlN陶瓷的關鍵。
在國外，AlN粉的制造工藝已經相當成熟，商品化程度也很高。此前，據中國電科43所的研究數據，2015年全世界AlN粉的產量達3000噸/年。而掌握高性能AlN粉生產技術的廠家并不多，主要分布在日本、德國和美國。那么，氮化鋁粉體制備方法有哪些?具體的技術難點又在哪里呢?
氮化鋁粉體制備方法及其難點
Al2O3粉碳熱還原法
Al2O3粉碳熱還原法就是將超細Al2O3粉和高純度碳粉球磨混合，在氮氣氛圍中，一定的溫度(1400～1800℃)下，利用碳還原氧化鋁，與氮氣生成AlN粉末，其反應式為：Al2O3+3C+N2→2AlN+3CO。
該方法的主要難點在于，對氧化鋁和碳的原料要求比較高，原料難以混合均勻，氮化溫度較高，合成時間較長，而且還需對過量的碳進行除碳處理，工藝復雜，制備成本較高。
Al粉直接氮化法
Al粉直接氮化法是最早制備AlN粉體的方法，該法是將鋁粉在氮氣中加熱，在高溫(800～1200℃)下，鋁粉與氮氣直接發生化學反應生產氮化鋁粉末，反應式為：2Al+N2→2AlN。
該方法的缺點很明顯，在反應初期，鋁粉顆粒表面會逐漸生成氮化物膜，使氮氣難以進一步滲透，阻礙氮氣反應，致使產率較低;又由于鋁和氮氣之間的反應是強放熱反應，速度很快，造成AlN粉體自燒結，形成團聚，使得粉體顆粒粗化。
自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成法又稱燃燒合成法，是將鋁粉在高壓氮氣中通過相關手段引燃后，利用鋁粉和氮氣反應產生的熱量維持反應自發進行，直到反應結束。其反應式與Al粉直接氮化法相同，即為2Al+N2→2AlN。
該方法的缺陷在于，一方面由于反應迅速，故反應過程不易控制;另一方面該法制備的AlN粉體粒徑大，純度低，制作的AlN陶瓷熱導率偏低，常作為鋼鐵、橡膠和塑料等行業的添加劑。
化學氣相沉積法
化學氣相沉積(CVD)法是一種制備超細、高純、高比表面積、粒度分布均勻氮化物粉體的有效方法。采用該方法制備AlN粉體的核心原理是將鋁的揮發性化合物(鹵化鋁或烷基鋁)由N2帶入反應室與NH3反應，從氣相中沉積得到AlN晶粒。
該工藝存在對設備要求較高，生產效率低，采用烷基鋁為原料會導致成本較高，而采用無機鋁為原料則會生成腐蝕性氣體，所以目前還難以進行大規模工業化生產。
等離子體法
等離子體法是合成納米級AlN粉體的先進工藝，其原理是將鋁粉通過氣體送入等離子體反應器中，鋁粉在高溫等離子體環境下快速升溫、熔融、氣化形成鋁蒸氣，鋁蒸氣再與高能量的氮離子反應生成AlN納米顆粒。
該工藝存在設備要求高、產品產量低、單顆粒形貌不規則、難以得到低氧含量粉體等問題，所以目前該工藝制備AlN粉體還停留在實驗室階段。
氮化鋁粉體制備技術發展趨勢
AlN粉體作為一種性能優異的粉體原料，國內外研究者通過不斷的科技創新來解決現有工藝存在的技術問題，同時也在不斷探索新的、更高效的制備技術。在微米級AlN粉體合成方面，目前最主要的工藝仍是碳熱還原法和直接氮化法，這兩種工藝具有技術成熟、設備簡單、得到產品質量好等特點，已在工業中得到大規模應用。
獲得更高純度、粒度可控、形貌均勻分散的高性能粉體是AlN制備技術的發展方向，針對不同應用領域應開發多種規格的粉體，以滿足導熱陶瓷基板、AlN單晶半導體、高純靶材、導熱填料等領域對AlN粉體原料的要求。同時，在生產中也需要對現有技術及裝備進行不斷優化，進一步提高產品的批次穩定性，增加產出效率，降低生產成本。
國外氮化鋁粉體行業現狀
日本德山曹達公司采用Al2O3粉碳熱還原法生產的AlN粉被全球公認為質量好、性能穩定，全世界的高端AlN粉市場基本被其產品占據。日本東芝、京瓷、Maruwa、住友電子，德國CeramTec、ANCe-ram，美國Natel、CMC等公司的大部分基板和封裝生產廠家都在使用其氮化鋁粉體產品。
日本東洋鋁公司采用Al粉直接氮化法生產的AlN粉，性能較好，制作出的基板熱導率也能穩定在170W/m·K以上，且價格較低，在日本和中國受到不少客戶的青睞。
德國的Starck公司市場主推的GRADEC級AlN粉，采用Al粉直接氮化法制作。美國DOW化學公司也掌握了Al2O3粉碳熱還原法生產AlN粉技術。
國內氮化鋁粉體行業發展
在國內，開展AlN粉研究、生產的廠家也有很多，主要有以下部分企業：
中國電子科技集團公司第43研究所：國內LTCC/氮化鋁基板、功率驅動電路、信號電路、電子窯爐等產品的知名供應商，在混合集成電路及微組裝技術領域具有明顯的綜合優勢并引領行業發展。該所早在“七五”期間就采用Al2O3粉碳熱還原法制備出了高純超細AlN粉，掌握了AlN粉的基本制作方法，性能在國內處于領先水平，但目前是否已實現批量化生產尚未見于報道。
國瓷材料：高端高純超細氮化鋁粉體材料通過量產，已獲得國內客戶的一致認可。
廈門鉅瓷科技有限公司：于2016年12月27日成立于廈門市翔安區，是一家致力于高品級氮化鋁粉體及陶瓷制品研發、生產和銷售的創新型高科技企業。公司依托北京科技大學在氮化鋁領域的研究成果，曾獲“中國有色金屬工業科學技術一等獎(發明)”、“中國創新創業大賽新材料行業一等獎(全國第一名)”等諸多榮譽。公司主要產品有高純微細氮化鋁粉體、球形氮化鋁顆粒以及注射成形復雜精密氮化鋁陶瓷制品三大系列，已經得到國內外客戶的認可與好評。
寧夏艾森達新材料科技有限公司：有媒體報道其為“國內唯一同時具備氮化鋁粉體、氮化鋁多層線路板、氮化鋁結構件量產生產線的企業”，成立于2013年，是一家具有活力的初創型企業，運用自主研發的高水平電子級氮化鋁粉體，成功打破國外企業的壟斷。月產量氮化鋁片從3萬達到11萬片，產量名列全世界前茅。
寧夏時星科技有限公司：該公司計劃總投資20億元的氮化鋁粉體和高導熱氮化鋁陶瓷基片研發項目于2020年上半年落戶銀川經濟技術開發區。其中一期項目計劃投資2億元，建設1條氮化鋁粉生產線。項目達產后可年產600噸氮化鋁粉，實現年產值2.5億元以上。二期項目計劃投資18億元，建設年產3000噸氮化鋁粉、1200萬片高導熱氮化鋁陶瓷基片生產線，項目全部達產后可實現年產值38億元。最終實現年產3600噸氮化鋁粉、1200萬片氮化鋁陶瓷基片。產品主要應用于高鐵、新能源汽車、飛機、航空、航天及雷達、5G等領域。
其它知名企業有：煙臺同立高科新材料股份有限公司、遼寧德盛特種陶瓷制造有限公司、山東鵬程陶瓷新材料科技有限公司、三河燕郊新宇高新技術陶瓷材料有限公司、福建施諾瑞新材料有限公司、晉江華清新材料科技有限公司，等。
小結
我國目前的高性能AlN粉基本依賴進口，不僅價格高昂，而且隨時存在原材料斷供的風險。因此，實現高性能AlN粉制造技術的國產化，已成為當務之急。
