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