从原料角度看：提高氧化铝陶瓷热导率的几个要点

导热陶瓷有许多重要应用，其中用量最大也最受关注的莫过于陶瓷封装基板。尤其是随着电子器件精密程度的增加，元件的散热问题也开始变得棘手，因此对陶瓷基板的要求也变得更加苛刻。

能够用于导热的陶瓷材料被成为导热陶瓷材料，主要包括SiC、AIN、BeO、Al₂O₃等。其中SiC虽然具有较为优良的导热性以及热膨胀系数，但SiC有半导性，绝缘电阻小；AIN的粉体制备工艺复杂难以掌握，烧结也比较困难，整体成本较高；BeO陶瓷原材料价格昂贵，且BeO粉末具有毒性（但制品无毒）不容易被接受。

而Al₂O₃陶瓷是目前人类研究最透彻，应用最广泛的陶瓷材料，具有力学性能优异、抗腐蚀、耐磨性好、储量丰富、价格低廉等优点，在高端行业的关键器件中处处可见其身影。然而Al₂O₃陶瓷的导热性能在一众导热陶瓷中并不出众，尽管出色的性价比让它能够长期活跃在导热陶瓷领域中，但面对日益苛刻的导热要求，Al₂O₃陶瓷必须要最大限度地“榨出”潜能，使制品热导率持续接近其理论值，才可持久发展下去。

热量在陶瓷材料表面、晶界、气孔以及杂质中的传递过程模拟图

以上的几个参数，其实都和陶瓷的制备工艺有着非常紧密的关系。而在陶瓷材料的制备过程中，原料粉体的制备是非常重要的一个环节，可以说它们直接决定了陶瓷成品的性能。因此要提高陶瓷导热性能，必须要研究清楚原料对相关性能的影响机制。以下就从几个影响陶瓷导热性能的主要因素出发，分析原料对其的影响。

①致密度

致密度对陶瓷材料的性能有着直接显著的影响，对于导热性能来说，陶瓷材料的致密度越高其导热性能越好，主要体现在材料的低气孔率，即气孔越少，声子传播的阻力越小，陶瓷材料的导热性能越好。Zivcova等用淀粉作成孔剂制备了不同气孔率的氧化铝陶瓷材料，探究了气孔率对氧化铝陶瓷热导率的影响，实验表明，在相同温度下，气孔率越大热导率越低。

目前行业内一般会采用球形度高的氧化铝粉体作为原料。曾有研究员使用片状氧化铝粉体进行干压成型和烧结后，制备出互锁多孔结构的氧化铝陶瓷，其密度为0.920g/cm³，气孔率达到了76.34%，显然不适合作为导热陶瓷使用。而球形粉体具有更高的流动性，会对后续的成型和烧结会产生积极的影响，比如说LiuF等就在5.5GPa和900℃的高压环境下采用球形氧化铝粉体成功制备出了高致密度且近乎透明的氧化铝陶瓷。若原始粉体球形度不足时，也可以加入粘结剂对粉末进行造粒，形成类球状的形貌，同样能有效提高陶瓷的致密度。

类球形氧化铝和片状氧化铝

但球形度到位后也要注意粉末的粒度分布。JMa等对此进行了研究，他们将烧结分为初、中、后期三个阶段，较宽粒度分布的粉体因提高了生坯的密度所以在烧结初期可使陶瓷的致密化速率加快，除此之外，在烧结中期，宽粒度分布的粉体提高了晶粒生长的速率，材料中的封闭隔离孔被嵌入较大的颗粒状基体中，因此具有更好的烧结性，而且有助于在烧结后期保持较高的烧结速度。但是较宽的粒度分布会导致材料局部颗粒的堆积而产生致密化的差异，甚至在超过一定的粒度分布时，烧结体的晶粒尺寸会过大，孔结构变粗。

②杂质

陶瓷材料的导热性能受杂质含量的影响很大，主要分为两种形式，一是粉体原料的纯度;二是在烧结过程中所添加的烧结助剂。

陶瓷原料的纯度指的是材料中主要成分占总成分的百分含量。陶瓷粉体中或多或少都会含有杂质，这些杂质包括一些氧化物或金属离子，以及一些杂相。例如，氧化铝中的杂质往往为制备过程中的粉尘、大颗粒异物、设备加工带入的金属杂质等。除此之外，还包括一些杂相，比如结构疏松的β-Al2O3、γ-Al2O3，若其存在会影响材料成型之后的密度，从而影响导热性能。另外，氧化铝陶瓷粉体中还会存在一些杂质离子，如Na+、K+、Mg+和Ca2+等，它们的存在会加强粒子对声子的散射、增加声子传播自由程，使材料的热导率降低。

在陶瓷材料的烧结工艺中，加入烧结助剂是为了降低陶瓷材料的烧结温度，防止因晶粒的急剧长大而导致的晶粒尺寸不均匀以及减少材料的气孔率，这对提高陶瓷材料的致密度有很大作用。但同时也相当于引入了杂质，可能会对其导热性能产生不利的影响。

但这不代表烧结助剂不该加，主要得看最终效果。比如说AlN在Y2O3烧结助剂作用下，经过1800℃煅烧后，热导率还比较低，因为其晶粒和晶界间还存在少量氧元素和烧结助剂引入的杂质元素，当在N2气氛1900℃煅烧100h后，晶粒与晶界中的氧含量减少，晶界中的杂质元素消失，AlN热导率提升至272W/（m·K），这表明烧结助剂的加入是为了减少AlN中存在的氧原子，从而减少其中存在的杂质，提高热导率。

③晶粒尺寸

声子传播的过程中会受到各方面因素的影响，而这其中，晶粒尺寸对材料的导热系数影响也很大，Pabst等采用两步相混合建模的方法计算了纯氧化铝-氧化锆陶瓷材料不同晶粒尺寸的热导率，并与实验所得的结果进行了对比。

他们得出：材料的实际热导率要比理论计算得出的要低，是因为陶瓷中存在纳米级别的孔隙率，造成了热导率的差异，而不仅仅是晶粒尺寸的问题。由此可见，晶粒尺寸决定了孔隙的尺寸，如果晶粒尺寸处于纳米级别，材料中会出现极难消除的纳米级孔隙，这是无法避免的，因为通过任何手段都无法达成致密度100%的陶瓷材料，只有尽可能降低材料的孔隙率，所以，初步得出纳米级别的晶粒尺寸可以提高陶瓷材料的热导率。

但是从另一方面分析，晶粒越细小，材料的晶界越多，增大了晶界对声子散射的强度，降低材料的导热性能，例如单晶氧化铝与多晶氧化铝的导热性能差异（如下图）。所以，陶瓷的晶粒尺寸对其热导率的影响还需要更多的研究。