06
2025
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03
行业新知丨DLP陶瓷3D打印致密氮化铝陶瓷
作者：
AlN （氮化铝）陶瓷理论热导率高达 320 W/(m·K)，可在无压烧结下制备，且热膨胀系数与单晶硅匹配良好，已成为半导体工业中关键的热管理材料。但由于由于 AlN（氮化铝）粉末的折射率和表面基团差异较大。尽管通过表面改性等方法有所改进，但性能提升仍有限。近日，中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室胡松教授带领团队在《Journal of the European Ceramic Society》发表了题为《Influence of solid loading on microstructure evolution and thermal conductivity of aluminum nitride ceramics fabricated by digital light processing 3D printing》的研究，他们采用 DLP陶瓷3D打印方法制备 AlN 坯体，并引入新的微压辅助烧结技术以促进陶瓷体的致密化。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.117028
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研究内容
在这项研究中，研究团队深入研究了固相含量对AlN微观结构演变的影响，探讨了 AlN 陶瓷微观结构与热导率之间的关系。此外，利用 DLP 3D 打印技术设计并制备了具有微通道的 AlN 热沉，评估其热管理性能，证明了 DLP 3D 打印技术在复杂陶瓷结构制备中的可行性和潜力。
以下是文章的研究方法及数据：
△图1， 通过扫描电子显微镜（SEM）观察到的 (a) AlN 和 (b) Y₂O₃ 粉末的形貌。。
△图2，不同分散剂含量（a）和固体含量（b）的AlN浆料的流变性能；剪切速率为30 s −1时AlN浆料的粘度与分散剂含量（a）和固体含量（d）的关系。
△图3，不同TPO含量的浆料固化精度图。
△图4，AlN生坯的TG-DSC曲线。
△图 5. 不同固相含量的脱粘 AlN 样品的 (a 1 -d 1 ) 表面和 (a 2 -d 2 ) 断口的 SEM 图像，(a 3 -d 3 ) 是 (a 2 -d 2 )的缩小版本。(a 1 -a 3 ) 47.7 体积％，(b 1 -b 3 ) 49.0 体积％，(c 1 -c 3 ) 50.4 体积％，(d 1 -d 3 ) 52.5 体积％。
△图6，制备好的AlN陶瓷的XRD谱。
△图7，不同固相含量下AlN陶瓷在不同方向的收缩。
△图8，不同固相含量AlN陶瓷的体积密度与热导率，插图为AlN陶瓷（固相含量从左到右依次为47.7、49.0、50.4、52.5vol%）。
△图9，不同固相含量 AlN 陶瓷的 SEM 显微照片：(aa 1 ) 47.7 vol%、(bb 1 ) 49.0 vol%、(cc 1 ) 50.4 vol%、(dd 1 ) 52.5 vol%
△图10，具有内部微通道结构的 3D 打印 AlN 散热器的 (a,b) 示意图、(c) 生坯和 (d) 烧结样品
△图11，( a)AlN陶瓷热沉在100°C热源下的红外热成像，(b)不同温度热源下矩形区域的温度分布（b）循环冷却水之前和（c）循环冷却水之后，(d)循环不同流量的冷却水后矩形区域的温度分布
△图12，( a)激光二极管模块和(b)流体冷却下散热器表面的实时温度曲线，(c)不同冷却水通量下陶瓷散热器热阻的热通量依赖性，(d)激光二极管模块和陶瓷散热器的封装图，(e)在陶瓷散热器和流体冷却的帮助下点亮的激光二极管模块的照片，(f)流体冷却下激光二极管模块的激光通量曲线
结论
综上所述，研究团队采用DLP3D打印和微压辅助烧结方法，成功制备了高致密、结构复杂的氮化铝（AlN）陶瓷。研究确定了浆料中分散剂和引发剂的最佳含量分别为 2.2 wt% 和 0.05 wt%。固相含量对陶瓷的收缩、致密性、微观结构演变和热导率有显著影响。较高的固相含量可降低陶瓷的收缩率、提高致密性并提升热导率。当固相含量为 52.5 vol% 时，在 0.8 MPa 微压辅助氮气氛围中以 1720 ℃ 的烧结温度烧结，获得了密度为 3.33 g/cm³、热导率为 163 W/(m·K) 的高性能 AlN 陶瓷。
此外，他们还成功制备了具有微通道结构的 AlN 热沉，并测试了其传热性能。将该陶瓷热沉与大功率激光二极管模块封装，评估其热管理性能。结果显示，在适当的水流量下，该陶瓷热沉能够实现快速、大幅度的冷却。当水流量达到 50 mL/min 时，陶瓷表面的平衡温度可由 110 ℃ 降低至约 40 ℃。将微通道热沉封装 150 W 激光二极管模块后，在 50 mL/min 的流量下，AlN 陶瓷热沉可在满载条件下将激光器芯片的温度稳定在 55 ℃，从而保证激光模块的高可靠性，显示出在高功率或高功率密度光电元器件热管理中的巨大潜力。
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