随着5G通信、人工智能、新能源汽车及航空航天技术的飞速发展，电子器件正向高功率密度、高集成度和高可靠性方向持续演进。在这一趋势下，电子封装作为芯片与外部系统之间的关键桥梁，其制造质量直接决定了电子产品的性能与寿命。在电子封装制造过程中，焊接工艺是连接芯片基板、封装管壳和散热元件的核心环节，而焊接质量的关键评价指标——焊层空洞率、界面结合强度和气氛气密性——均与焊接环境密切相关。

传统的大气环境焊接工艺存在三大关键痛点：其一，高温焊接过程中焊料与空气中的氧气反应，在焊层中生成氧化物夹杂，导致焊接强度显著下降；其二，焊料熔化过程中助焊剂挥发及表面吸附气体释放产生的气泡无法有效逸出，冷却后在焊层内部形成空洞（Void），大功率厚焊层场景下空洞率通常高达15%–25%，严重影响散热性能与电气连接的长期可靠性；其三，对于要求气密封装的器件（如军工器件、宇航电子、光通信模块），大气焊接无法满足高等级氦质谱检漏要求。

真空焊接技术通过在焊接过程中建立高真空环境（通常≤1 Pa），从根本上改变了焊接界面的物理化学条件。在真空环境下（≤1 Pa），残余氧分压极低，可有效抑制焊料与基材的高温氧化；配合甲酸蒸气、氢气等还原性气氛时，可还原基材表面原有氧化膜，使表面呈现原子级洁净状态，熔融焊料在洁净表面充分铺展润湿，形成连续致密的金属间化合物（Intermetallic Compound, IMC）层。同时，溶解于焊料中的气体在真空负压驱动下快速逸出，焊层空洞率可稳定控制在5%以下。随着汽车电子AEC-Q101、军工MIL-STD-883等可靠性标准的日趋严格，真空焊接已从可选项变为高可靠性封装的必选项。

然而，真空焊接工艺对设备提出了极为严苛的要求。焊接腔体的极限真空度、真空抽速、温度均匀性、气氛切换精度、加热与冷却速率等参数均需精确控制。外，针对不同材料体系（金属–金属、金属–陶瓷、半导体芯片–基板），焊接温度窗口、焊料选择及气氛条件须进行针对性匹配。因此，一套完整的真空焊接解决方案需要工艺经验与装备能力的深度结合。

1  真空焊接技术的主要应用领域

真空焊接技术凭借其低空洞率、高焊接强度、无氧化残留的核心优势，已在半导体封装、光电器件、汽车电子、功率模块、微波射频及新能源六大关键领域获得广泛应用，具体情况如表1所示。不同应用场景对应的焊接温度、焊料体系和真空度要求差异显著，实际工艺开发需根据产品可靠性等级、材料体系和产线节拍综合选型。

表1  真空焊接技术的主要应用领域

不同应用场景因可靠性等级、基材类型和封装结构差异，对应不同的真空焊接工艺路线——低温回流焊（200–450 ℃）、中温真空封焊（450–800 ℃）和高温真空钎焊（800–1200 ℃）。

2  真空焊接工艺详解

2.1  真空焊接基本原理

真空焊接工艺的核心在于利用高真空环境排除焊接过程中的不利因素，实现焊料与基材的无缺陷冶金结合。其基本原理可从以下三个层面理解：

（1）润湿增强机制。在大气环境中，金属基材表面不可避免存在氧化膜，阻止熔融焊料与基材的直接接触。真空环境下（≤1 Pa），残余氧分压极低（≤2×10⁻⁴ Pa），可有效抑制焊料与基材在加热过程中的持续氧化；当配合甲酸蒸气（中低温）或氢气（高温）等还原性气氛时，可进一步将基材表面原有氧化膜还原去除，使表面呈现原子级洁净状态。熔融焊料在洁净金属表面充分铺展，润湿角可降至10°以下，界面结合强度大幅提升。

（2）气泡脱除机制。焊料熔化过程中，焊膏中的助焊剂挥发、表面吸附气体释放以及焊料自身溶解气体均会在焊层中形成气泡。在真空负压作用下（焊层内气泡内压远大于环境气压），气泡膨胀并快速上浮逸出，使焊层空洞率大幅降低。工业实践表明，真空焊接可将空洞率从大气焊接的15%–25%（大功率厚焊层）降至5%以下，优化工艺参数后可达3%以下。

（3）界面反应控制机制。真空环境排除了氧气的干扰，使焊料与基材之间的界面IMC层得以均匀生长。以Sn-Ag-Cu（SAC）系焊料在Cu基材上的焊接为例，真空条件下生成的Cu₆Sn₅/Cu₃Sn双层IMC厚度均匀（1–3 μm）、形貌连续，无氧化物夹杂嵌入，是焊接接头长期可靠性得以保证的微观基础。

2.2  真空回流焊工艺

真空回流焊主要应用于半导体芯片与基板的低温连接，包括功率芯片（IGBT/MOSFET/SiC）与覆铜陶瓷基板（Direct Bonded Copper, DBC）的焊料连接、BGA植球回流、Flip-Chip倒装焊等场景。与真空钎焊相比，回流焊的工作温度较低（通常200–450 ℃），但对温度均匀性、加热/冷却速率和气氛切换的响应速度要求更高。典型真空回流焊工艺曲线如表3所示。

表2  真空回流焊标准工艺曲线（SAC305焊料，IGBT模块封装）

回流阶段引入真空是降低空洞率的核心工序。工艺研究表明，在焊料处于完全液态的回流峰值温度段施加真空（≤1 Pa，维持30–60 s），可使焊层空洞率从大气回流焊的10%–25%降至3%以下，满足汽车电子AEC-Q101和军工MIL-STD-883等可靠性标准的严格要求。

甲酸气氛辅助回流焊是近年来快速发展的新技术路线。在预热阶段向炉腔内通入甲酸蒸气（HCOOH浓度2%–5%，N₂载气），甲酸在150 ℃以上分解为CO + H₂O，具有强还原性，可有效去除焊盘表面氧化层，免除助焊剂使用。这一技术特别适用于无助焊剂残留要求的高可靠性器件（如气密封装管壳、光电器件），可避免助焊剂残留导致的长期腐蚀和绝缘退化问题。

2.3  常见缺陷与工艺对策

真空焊接过程中常见的缺陷及其成因与解决方案归纳如表3所示。

表3  真空焊接常见缺陷及工艺对策

3  韬普斯真空焊接设备方案

3.1  真空焊接工艺对设备的核心要求

综合以上工艺分析，一套满足工业量产需求的真空焊接设备须具备以下核心能力：

（1）极限真空度≤1 Pa，且真空系统抽速需满足从大气压抽至工作真空度的时间≤5 min，以保证产线节拍。

（2）加热系统温度均匀性≤±3 ℃，控温精度≤±1 ℃，支持多段程序控温（≥40段），满足复杂焊接工艺曲线的精确执行。加热板应具备快速升降温能力（≥100 ℃/min），以适配回流焊工艺的快速温度切换需求。

（3）气氛系统须支持N₂、H₂、甲酸蒸气等多种工艺气体的精确控制，配置质量流量控制器（MFC，精度±1% FS）实现气氛流量与比例的自动调节，同时具备真空–气氛快速切换能力（切换时间≤30 s），满足真空钎焊和气氛辅助回流焊的一体化工艺需求。

（4）安全系统须配置H₂浓度在线监测、CO浓度监测、过温报警、真空失效联锁等多重安全保护，确保涉氢工艺的绝对安全运行。尾气处理系统需包含燃烧或催化转化装置。

以下分别介绍韬普斯（TOPS）公司针对不同焊接需求提供的核心真空焊接设备。

3.2  THHA-1-ZN型真空焊接炉

THHA-1-ZN型真空焊接炉是韬普斯为半导体功率器件封装专门设计制造的高性能真空焊接设备，适用于IGBT功率器件、二极管、三极管、TO封装、光伏器件、汽车电子器件、电源模块及驱动模块的气密管壳封焊与盖板封焊。该设备可在真空与可控气氛（N₂+甲酸）条件下完成高质量焊接，焊层空洞率可稳定控制在3%以下，满足车规级AEC-Q101可靠性标准。设备外观如图2所示，主要技术参数如表4示。 

图2  THHA-1-ZN型真空焊接炉

表4 THHA-1-ZN型真空焊接炉主要技术参数

3.3  真空回流炉

韬普斯真空回流炉面向半导体器件在真空/可控气氛下的回流焊接工艺需求，支持真空与气氛的快速切换，温度曲线可编程精确控制。设备为批次式单腔室结构，支持多段程序控温以执行复杂工艺曲线，适用于芯片贴装（Die Attach）、BGA植球回流、Flip-Chip倒装焊、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）器件封装等先进封装工艺。设备外观如图4所示，主要技术参数如表5所示。

图4  真空回流炉

表5  真空回流炉主要技术参数

真空焊接技术作为电子封装领域的高可靠性连接工艺，已在半导体功率器件、光电器件、汽车电子、军工航天等关键领域确立了不可替代的地位。真空环境从根本上解决了传统大气焊接面临的氧化、空洞、气密性不足三大技术瓶颈，使焊层空洞率从15%–25%（大功率厚焊层）大幅降低至3%以下，显著提升了电子器件的散热效率、电气连接可靠性和长期服役寿命。

随着第三代半导体（SiC/GaN）器件向更高工作温度（>200 ℃）、更高功率密度（>100 W/cm²）方向演进，以及先进封装技术（Chiplet、3D堆叠、玻璃基板封装、扇出型封装）的快速产业化，对真空焊接工艺和装备均提出了新的挑战与机遇。更高焊接温度（>300 ℃）下的精确气氛控制、更大尺寸基板（>300 mm）的真空均匀性保障、更短产线节拍（Cycle Time < 5 min）的在线真空焊接实现，是当前行业面临的核心技术课题。

韬普斯（TOPS）公司深耕电子封装热工装备领域，基于对真空焊接工艺原理的深入理解，形成了覆盖低温回流焊、中温真空封焊、高温真空钎焊的完整设备产品线，并配套提供气氛控制、真空除气、退火处理、排胶烧结等工艺链设备，为客户提供从工艺开发到量产交付的一站式真空焊接解决方案。

固态氧化物燃料电池（SOC，Solid Oxide Cell）是高温全固态陶瓷电化学装置，一套电堆具备双向工作能力：发电模式（SOFC，固体氧化物燃料电池）高效输出电能，电解模式（SOEC，固体氧化物电解池）利用可再生电力制氢、制合成气，双向可逆切换的称为可逆固态氧化物电池（RSOC）。在全球能源脱碳浪潮下，SOC市场正处于从示范验证向规模化商用的关键拐点，全球SOFC市场预计将从2025年的28.1亿美元增长至2026年的35.9亿美元，年复合增长率高达27.6%。

随着AI数据中心算力需求的爆发式增长、国际海事组织（IMO）航运脱碳目标的临近以及风光新能源对长时储能的迫切需求，传统发电与储能技术已难以满足高效、低碳、分布式、模块化的综合要求。燃气轮机发电效率仅35%–45%，PEM质子膜燃料电池依赖贵金属铂催化剂且效率仅40%–50%，锂电池难以实现跨季节长时储能。相比之下，SOC电堆凭借发电效率高达65%（热电联产综合效率85%–95%）、燃料极度兼容（天然气、沼气、甲醇、液氨、工业尾气、绿氢均可直接使用）、全固态结构无腐蚀漏液、模块化灵活扩容、双向可逆储能等核心优势，成为分布式发电、高温电解制氢及长时储能的理想技术路线。

然而，SOC电堆的烧堆（封接烧结）工艺技术门槛极高。单片陶瓷电池的PEN（正极-电解质-负极）需在1400℃以上共烧结成型，而整堆封接烧结又必须在900℃以下完成，要求全程精确控温、严防连接体氧化和阴极性能退化。封接玻璃的软化浸润、气路气密性、多层材料热膨胀匹配、阳极还原活化等环节均对升温曲线、气氛控制和压力均匀性提出极为严苛的要求。因此，SOC电堆的烧堆工艺远较普通陶瓷烧结复杂，亟需专业化的一体化设备解决方案。

图1  固态氧化物电堆

一、固态氧化物燃料电池（SOC）的主要应用领域

固态氧化物燃料电池凭借发电效率高、燃料兼容性强、全固态长寿命、双向可逆储能的核心优势，已在AI数据中心、清洁航运、绿色制氢及特种动力等关键领域展现出广阔的应用前景，具体如表1所示。

表1  SOC电堆的主要应用领域

图2  Bloom Energy商用SOFC模块

二、SOC电堆结构与技术路线

2.1  单电池基础三层结构

单片电池是SOC最小电化学单元，由三层多孔/致密陶瓷构成"三明治"结构：阳极（燃料极，Ni-YSZ金属陶瓷）——多孔结构，通入H₂、CH₄等燃料，催化燃料氧化反应；电解质（致密氧离子导体，YSZ为主）——致密不透气，只传导O²⁻，隔绝燃料与空气，厚度3–20μm薄膜；阴极（空气极，钙钛矿LSCF/LSM）——多孔结构，通入空气，将氧气还原生成氧离子。

完整电堆由多片单电池通过连接体（双极板）串联压紧构成，还包括密封件（高温玻璃陶瓷密封或金属钎焊密封）、集流板、压紧框架及绝缘件等辅件。平板式电堆结构是当前商业化绝对主流，占全球出货90%以上。

图3  电堆结构示意图

2.2  三大平板技术路线核心对比

按单电池支撑结构，当前商业化/示范阶段主要分为三大成熟路线：电解质支撑（ESC）、阳极支撑（ASC）、金属支撑（MSC），关键参数对比如表2所示。

表2  三大技术路线关键参数对比

三、SOC电堆烧堆（封接烧结）工艺

SOC电堆烧堆（行业俗称"烧堆"）指堆叠完成的完整电堆入炉进行高温热处理，核心目的是使玻璃密封材料软化浸润，实现气路的气密绝缘封接。区别于单片PEN的高温共烧结（1350–1450℃），烧堆最高温度严禁超过900℃，全程须保护已烧结完成的陶瓷电池、金属连接体及阴极活性层不退化。

3.1  前置工序（烧堆前必须完成）

1. 各组件独立预烧结

（1）PEN单片完整烧结：阳极-电解质共烧1400℃→GDC阻挡层1300℃→LSCF阴极1200℃，成品单片电解质致密、阴极无杂相。

（2）金属连接体（Crofer22APU）预烧抗氧化涂层：空气气氛930℃保温2h，表面生成Mn-Co尖晶石保护层，抑制Cr挥发毒化阴极。严禁未预涂层的金属连接体直接参与烧堆。

（3）玻璃密封边框/密封胶预脱脂：玻璃生坯含大量有机粘结剂，须单独在500℃保温2h排胶定型，避免整堆烧堆时有机物集中分解鼓泡、密封层产生气孔漏气。

2. 电堆叠堆（烧堆生坯装配）

标准重复单元堆叠顺序为：端板隔热垫→连接体→玻璃密封边框→PEN单片→玻璃密封边框→连接体……循环堆叠。关键工艺要点包括：每层密封边框须对齐气路，无偏移、无断边；整堆上下铺设氧化铝均压垫板，叠加5–20 g/cm²均匀配重；外部不锈钢夹具轻度锁紧，预留高温膨胀/收缩余量，不可刚性锁死；入炉前吹扫堆内粉尘、碎屑，防止高温压伤陶瓷片。

图4  平板SOFC电堆对叠示意图

3.2  标准烧堆升温曲线（空气气氛，阳极支撑8YSZ电堆，量产通用）

烧堆全过程分为低温排胶段、玻璃软化封接段、慢速降温防析晶段三段，全程炉内持续空气吹扫，及时排出有机废气。表3给出了工业标准的SOC电堆烧堆工艺曲线。

表3  SOC电堆烧堆标准工艺曲线

硬性温度红线（不可突破）

整堆最高温度严禁＞900℃，原因如下：

（1）＞900℃时，连接体剧烈氧化、尖晶石保护层失效，Cr挥发污染阴极，电池极化阻抗大幅上升；

（2）LSCF阴极晶粒粗化、三相界面消失，功率永久衰减；

（3）玻璃过度流淌溢入燃料/空气流道，堵塞气路，电堆报废。

3.3  烧堆后工序：电堆还原活化

烧堆完成后阳极仍为NiO（氧化镍），无电子导电性，必须进行气氛还原处理：

（1）气氛：5%–10% H₂ + 平衡N₂，全程须在防爆气氛炉中进行；

（2）温度制度：720℃保温3–4h；

（3）反应原理：NiO + H₂ → Ni（金属多孔阳极），形成导电三相反应界面；

（4）还原后须做气密性检漏，合格电堆方可进行上电性能测试。

3.4  烧堆高频缺陷、成因与解决对策

SOC电堆烧堆过程中常见的缺陷及其成因与解决方案归纳如表4所示。

表4  SOC电堆烧堆常见缺陷及工艺对策

四、SOC电堆烧结・还原・测试一体化设备方案

4.1  SOC电堆烧堆工艺的主要特点与设备需求

（1）SOC电堆烧堆工艺的核心在于温度精确控制与排胶气氛管理。排胶阶段需在150–450℃核心温区以1℃/min的慢速率升温，配合持续空气吹扫及时排出有机废气，防止密封层气孔与分层。

（2）封接烧结阶段（840–860℃）需精准维持玻璃软化温度窗口，保温60–90min形成连续气密密封层，同时严格确保整堆温度不超过900℃红线，保护连接体涂层与阴极活性层。

（3）降温阶段（850–600℃）须以0.5–1℃/min极慢速率降温，防止玻璃快速析晶导致内应力开裂，这是决定电堆气密性合格率的关键工序。

（4）烧堆完成后需在同一设备或配套设备中完成阳极还原活化（720℃，H₂/N₂混合气氛），以及高温电化学性能测试，实现"烧堆封接→阳极还原→性能测试"三大工序一体化完成，无需转运电堆，避免拆装磕碰、密封损伤、温变应力开裂。

（5）SOC电堆产业正朝着更大功率（百千瓦至兆瓦级）、更高可靠性（万小时级寿命）、更短启停时间（金属支撑路线）以及电堆制造–烧堆–测试全流程装备国产化的方向发展。 

图5  TKZK668-090Z型固体氧化物电池堆烧结还原测试站

4.2  TKZK668-090Z型固体氧化物电池堆烧结还原测试站

TKZK668-090Z型固体氧化物电池堆烧结还原测试站是专门为固态氧化物燃料电池（SOC）电堆烧结・还原・测试设计制造的一体化工作站，支持单电池至3kW电堆的烧结与测试，兼容H₂、CO、N₂、空气等多种气体。该设备集电堆烧堆封接、阳极还原活化、高温电化学性能测试三大工序于单台设备，是实验室研发与中试小批量验证的核心装备。设备由加热系统、升降系统、压力控制装置、负载测试系统、冷却系统、气路系统、尾气处理系统、自动测试泄漏系统等八大子系统组成，各子系统技术参数详见表5至表13。

表5  设备总体参数

表6  加热系统技术参数

表7  升降系统技术参数

表8  压力控制装置技术参数

表9  冷却系统技术参数

表10  负载测试系统技术参数

表11  气路系统技术参数

表12  尾气处理系统技术参数

表13  自动测试泄漏系统技术参数

氮化铝（AlN）陶瓷以其高导热性（理论热导率320 W/m·K）、优良的电绝缘性能以及与硅材料相匹配的热膨胀系数，在半导体封装、大功率电子器件散热、5G通信及航空航天等高端领域具有不可替代的地位。然而，AlN陶瓷易水解、易氧化、对残碳敏感等特性使其烧结工艺具有较高的技术门槛。

随着5G通信、人工智能、新能源汽车及航空航天技术的快速发展，电子器件正向高功率密度、高集成度和高可靠性方向演进，由此对封装与散热材料提出了极为苛刻的要求。传统的氧化铝（Al₂O₃）陶瓷虽工艺成熟，但其热导率仅约20–30 W/m·K，难以满足高功率器件的散热需求；氮化硅（Si₃N₄）陶瓷力学性能优异但热导率偏低；氧化铍（BeO）虽导热性能优异但具有剧毒，应用受限。相比之下，氮化铝（AlN）陶瓷兼具高导热性（理论值320 W/m·K，实际量产可达170–230 W/m·K）、优良的电绝缘性能（电阻率>10¹⁴ Ω·cm）、低介电常数以及与硅材料（CTE≈4.5×10⁻⁶/K）高度匹配的热膨胀系数，成为大功率半导体封装基板和散热结构的理想选择。

然而，AlN陶瓷属共价键化合物，自扩散系数低，致密化烧结困难；且其对水汽极为敏感，在高温下易发生水解反应（AlN + H₂O → Al₂O₃ + NH₃），导致热导率急剧下降。此外，排胶过程中残碳控制不当将引起产品发黑、致密度不足等问题。因此，AlN陶瓷的烧结工艺远较氧化铝陶瓷复杂，对气氛纯度、露点控制、升温速率等参数均有严格要求。

一、氮化铝陶瓷的主要应用领域

氮化铝陶瓷凭借高导热、绝缘、无毒及与硅热膨胀匹配的核心优势，已在高端电子、半导体、大功率器件及航空航天四大领域获得广泛应用，具体如表1所示。

表1  氮化铝陶瓷的主要应用领域

图1展示了典型的氮化铝陶瓷封装管壳产品，广泛应用于半导体芯片的气密封装；图2为氮化铝陶瓷加热器，应用于半导体设备中的高均匀性加热场景。

图1  氮化铝陶瓷封装管壳

图2  氮化铝陶瓷加热器

   二、氮化铝陶瓷烧结工艺

AlN陶瓷烧结工艺需严格遵循三项基本原则：严禁高温下与水汽接触，排胶必须低残碳，烧结需在高纯还原或惰性气氛中进行。此外，AlN陶瓷强度低、脆性大，升降温速率必须缓慢控制，否则极易导致开裂与翘曲。以下按工艺顺序逐一展开论述。

        2.1  生坯预处理

流延生坯在排胶前需在60–80 ℃条件下低温预干燥4–12 h，使残留溶剂充分挥发。大尺寸或多层板应采用阶梯式烘干工艺，避免内部溶剂残留导致后期鼓泡或分层。装炉时须采用BN涂层承烧板或多孔高纯AlN垫板，单片间距不小于3 mm，多层之间加设透气隔条，以确保气氛在坯体间均匀流通。

       2.2  排胶脱脂工艺（25 ℃ → 600 ℃）

排胶脱脂是AlN陶瓷烧结的关键前处理工序，全程需在高纯氮气（N₂，纯度≥99.999%）保护气氛中进行，炉内维持微正压50–150 Pa，以防止空气渗入。表2给出了工业标准的AlN排胶脱脂工艺曲线。

表2  AlN陶瓷排胶脱脂标准工艺曲线

排胶合格判定标准包括：失重值接近理论有机物含量（偏差<±2%）；坯体呈洁白或浅灰色，无黑心、无夹层；无变形、裂纹或掉边现象。

       2.3  高温烧结工艺（600 ℃ → 1800–1900 ℃）

2.3.1  气氛系统

高温烧结的主体气氛为高纯N₂或N₂+H₂弱还原气氛，其中H₂比例控制在0–5%（金属化产品可适当提高H₂比例，纯陶瓷产品建议采用纯N₂以确保安全性）。全程须严格干燥，露点控制在≤-40 ℃；炉内维持微正压状态，严防外部空气倒灌导致AlN氧化。

2.3.2  烧结温度曲线

工业量产中的标准烧结温度曲线如表3所示。烧结温度通常设定在1820–1880 ℃区间，保温2–5 h以实现陶瓷致密化与晶粒正常生长。降温阶段严禁快速冷却以避免热震开裂。

表3  AlN陶瓷高温烧结标准工艺曲线

2.3.3  典型烧结指标

合格AlN陶瓷烧结体的致密度应≥3.20 g/cm³（达理论密度98%以上），热导率常规水平为170–200 W/m·K，优质产品可达220 W/m·K以上。烧结体应无氧化发黄、无黑心、无形变翘曲。

       2.4金属化共烧工艺（W/Mo体系）

对于HTCC-AlN钨浆金属化基板，需在标准烧结工艺基础上进行针对性调整。排胶段采用更弱的湿氮气氛并缩短加湿时间，以避免钨金属层过度氧化。烧结气氛中须引入微量湿氢以保证钨层附着力，同时烧结温度较纯AlN陶瓷降低20–40 ℃，以防止金属层挥发及收缩失配导致的界面缺陷。

       2.5  常见缺陷与工艺对策

AlN陶瓷在排胶与烧结过程中常见的缺陷及其成因与解决方案归纳如表4所示。

表4  AlN陶瓷烧结常见缺陷及工艺对策

   三、排胶烧结设备方案

3.1 AlN陶瓷排胶烧结工艺的主要特点

（1）AlN陶瓷烧结工艺的核心在于气氛与露点的精确控制。排胶阶段需在200–450 ℃核心温区以0.3–0.5 ℃/min的极慢速率升温，并严格控制湿氮的露点与作用时间，以防止AlN水解导致热导率不可逆下降。

（2）高温烧结阶段（1820–1880 ℃）需在高纯N₂或N₂+H₂弱还原气氛中进行，露点≤-40 ℃，保温2–5 h，产品致密度可达理论密度98%以上，热导率可达170–230 W/m·K。

（3）HTCC-AlN金属化共烧需在标准工艺基础上降低排胶湿度、引入微量湿氢并适度降低烧结温度20–40 ℃，以保证钨金属层的附着力与界面匹配。

（4）工业化量产中，排胶设备推荐TXF021-07N型氮气热风箱式炉，烧结设备根据产能需求可选TZXA3060-20NH卧式或TZVA4060-20NH立式真空烧结炉，三款设备均满足1850 ℃长期使用及±5 ℃温度均匀性要求。

（5）AlN陶瓷产业正朝着更高热导率（>250 W/m·K）、更大尺寸基板以及粉体–基板–金属化–封装全产业链垂直整合的方向发展。

适应不同产能需求的设备选型是实现AlN陶瓷工业化量产的重要保障。以下分别就排胶设备、实验室/小批量烧结设备及量产型烧结设备三类方案进行介绍，各设备实物外观如图3至图6所示。

       3.2  排胶设备

排胶工序推荐采用TXF021-07N型氮气热风箱式炉（见图3），其主要技术参数如表5所示。该设备以SUS310S不锈钢为炉膛材料，采用不锈钢加热器，额定温度RT–650 ℃，最高700 ℃；炉膛有效尺寸600 mm × 600 mm × 600 mm，配置不锈钢网孔料盘（590 mm × 600 mm × 20 mm）。控温精度±1 ℃，温度均匀度±5 ℃（650 ℃平台空炉测试），支持4×10段程序控温。设备配置微氧分析仪实时监测炉膛氧含量，气源为99.999%高纯氮气（压力0.2–0.4 MPa，耗气量≤12 m³/h），加热功率24 kW，保温功率≤12 kW。

表5  TXF021-07N型排胶炉主要技术参数

图3  TXF021-07N型氮气热风箱式炉（排胶设备）

       3.3  烧结设备

烧结设备根据产能需求分为实验室/小批量型与量产型两类。

实验室/小批量阶段推荐采用TZVA2020-20NH型立式真空烧结炉（见图4），工作区尺寸Ø200×200 mm，钨杆加热，钨钼反射屏炉膛，额定温度1850 ℃（极限1950 ℃），加热功率40 kW，控温精度±1 ℃，温度均匀性±5 ℃，极限真空度1 Pa。支持氮氢混合气氛，配置氧含量与露点在线控制系统，适用于工艺开发与小批量试制。

图4  TZVA2020-20NH型立式真空烧结炉（实验室型）

量产阶段推荐两款设备。TZXA3060-20NH型卧式真空烧结炉（见图5），工作区Ø300×600 mm，钨杆加热，加热功率200 kW，保温功率≤120 kW。TZVA4060-20NH型立式真空烧结炉（见图6），工作区Ø400×600 mm，钨带加热，加热功率240 kW，保温功率≤140 kW。两款设备长期使用温度均为1850 ℃，极限温度1950 ℃，温度均匀性±5 ℃，极限真空度1 Pa，均支持N₂+H₂保护气氛。表6汇总了三款烧结设备的主要技术参数对比。

图5  TZXA3060-20NH型卧式真空烧结炉（量产型）

图6  TZVA4060-20NH型立式真空烧结炉（量产型）

表6  AlN陶瓷烧结设备主要技术参数对比