高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基板是這樣燒結(jié)出來的！

金瑞欣陶瓷基板 · 發(fā)表于 2021-3-24 15:22:06

高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基板是這樣燒結(jié)出來的！

高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基板是優(yōu)良的電子封裝散熱材料，是組裝大型集成電路所必須高性能陶瓷材料，主要是因?yàn)樗苡行У厣⒊笮图呻娐返臒崃�。高�?dǎo)氮化鋁陶瓷基板單晶體的熱導(dǎo)率最高可以達(dá)到319W/(m·K)。導(dǎo)熱率高，優(yōu)良的電器性能、耐腐蝕性能、高溫絕緣性能是氮化鋁陶瓷基板很重要的電器性能特征。

在電子產(chǎn)品的發(fā)展起到了非常重要的作用。

一，AlN氮化鋁陶瓷基板的導(dǎo)熱機(jī)理

在氮化鋁一系列重要的性質(zhì)中，最為顯著的是較高的熱導(dǎo)率。關(guān)于氮化鋁的導(dǎo)熱機(jī)理，國內(nèi)外已做了大量研究，并已形成了較為完善的理論體系。主要機(jī)理為：通過點(diǎn)陣或晶格振動(dòng)，即借助晶格波或熱波進(jìn)行熱傳遞。量子力學(xué)的研究結(jié)果表明，晶格波可以作為一種粒子−聲子的運(yùn)動(dòng)來處理。熱波同樣具有波粒二象性。載熱聲子通過結(jié)構(gòu)基元(原子、離子或分子)間進(jìn)行相互制約、相互協(xié)調(diào)的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)熱的傳遞。其熱導(dǎo)率主要由晶體缺陷和聲子自身對(duì)聲子散射控制。

AlN氮化鋁陶瓷基板的熱導(dǎo)率理論上可達(dá)320W/(m·K)，但是由AlN缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生鋁空位而散射聲子，使得實(shí)際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率不到200W/(m·K)。AlN主要靠聲子傳熱，在熱傳輸過程中，晶體中的缺陷、晶界、氣孔、電子以及聲子本身都會(huì)產(chǎn)生聲子散射，從而影響AlN基板的熱導(dǎo)率。

二，高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基板的燒結(jié)工藝

高導(dǎo)熱氮化鋁基片的燒結(jié)工藝重點(diǎn)包括燒結(jié)方式、燒結(jié)助劑的添加、燒結(jié)氣氛的控制等。

1、添加燒結(jié)助劑

對(duì)于陶瓷致密燒結(jié)，添加助燒劑無疑是最為經(jīng)濟(jì)、有效的方法。AlN陶瓷可選用的燒結(jié)助劑有CaO、Li2O、B2O3、Y2O3、CaF2、CaC2以及CeO2等。這些材料在燒結(jié)過程發(fā)揮著雙重作用，首先與表面的Al2O3結(jié)合生成液相鋁酸鹽，在粘性流動(dòng)作用下，加速傳質(zhì)，晶粒周圍被液相填充，原有的粉料相互接觸角度得以調(diào)整，填實(shí)或者排出部分氣孔，促進(jìn)燒結(jié)。同時(shí)助燒劑可與氧反應(yīng)，降低晶格氧含量。

2、燒結(jié)方式

目前AlN基片較常用的燒結(jié)工藝一般有5種，即熱壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)(SPS)、微波燒結(jié)和自蔓延燒結(jié)。

（1）熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)是在加熱粉體的同時(shí)進(jìn)行加壓，利用通電產(chǎn)生的焦耳熱和加壓造成的塑性變形來促進(jìn)燒結(jié)過程的進(jìn)行。相對(duì)于無壓燒結(jié)來說，熱壓燒結(jié)的燒結(jié)溫度要低得多，而且燒結(jié)體致密，氣孔率低，但其加熱、冷卻所需時(shí)間較長(zhǎng)，且只能制備形狀不太復(fù)雜的樣品。熱壓燒結(jié)是目前制備高熱導(dǎo)率致密化AlN陶瓷的主要工藝。

（2）無壓燒結(jié)

由于AlN具有很強(qiáng)的共價(jià)性，故其在常壓燒結(jié)時(shí)需要的燒結(jié)溫度很高。在常壓燒結(jié)條件下，添加了Y203的AlN粉能產(chǎn)生液相燒結(jié)的溫度為1600℃以上，且燒結(jié)溫度要受AlN粒度、添加劑種類及添加劑的含量等因素的影響。常壓燒結(jié)的燒結(jié)溫度一般為1600～2000℃，保溫時(shí)間為2h。

（3）放電等離子燒結(jié)(SPS)

放電等離子燒結(jié)是20世紀(jì)90年代發(fā)展并成熟的一種燒結(jié)技術(shù)，它利用脈沖大電流直接施加于模具和樣品上，產(chǎn)生體加熱使被燒結(jié)樣品快速升溫；同時(shí)，脈沖電流引起顆粒間的放電效應(yīng)，可凈化顆粒表面，實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)，有效地抑制顆粒長(zhǎng)大。使用SPS技術(shù)能夠在較低溫度下進(jìn)行燒結(jié)，且升溫速度快，燒結(jié)時(shí)間短。

（4）微波燒結(jié)

微波燒結(jié)是利用特殊頻段的電磁波與介質(zhì)的相互耦合產(chǎn)生介電損耗，使坯體整體加熱的燒結(jié)方法。微波同時(shí)提高了粉末顆�；钚�，加速物質(zhì)的傳遞。微波燒結(jié)也是一種快速燒結(jié)法，同樣可保證樣品安全衛(wèi)生無污染。雖然機(jī)理與放電等離子體燒結(jié)有所不同，但是兩者都能實(shí)現(xiàn)整體加熱，才能極大地縮短燒結(jié)周期，所得陶瓷晶體細(xì)小均勻。

（5）自蔓延燒結(jié)

在超高壓氮?dú)庀吕米月痈邷睾铣煞磻?yīng)直接制備AlN陶瓷致密材料。這種工藝不需要外加能源，合成迅速，而且可以制造形狀復(fù)雜的AlN陶瓷部件，缺點(diǎn)是高溫燃燒反應(yīng)下原料中的Al易熔融而阻礙氮?dú)庀蛎鲀?nèi)部滲透，影響了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，難以得到致密度高的AlN陶瓷。

3 、燒結(jié)氣氛

在AlN陶瓷的燒結(jié)工藝中，燒結(jié)氣氛的選擇也十分關(guān)鍵的。一般的AlN陶瓷燒結(jié)氣氛有3種：還原型氣氛、弱還原型氣氛和中性氣氛。還原性氣氛一般為CO，弱還原性氣氛一般為H2，中性氣氛一般為N2。在還原氣氛中，AlN陶瓷的燒結(jié)時(shí)間及保溫時(shí)間不宜過長(zhǎng)，燒結(jié)溫度不宜過高，以免AlN被還原。在中性氣氛中不會(huì)出現(xiàn)上述情況。所以一般選擇在氮?dú)庵袩Y(jié)，這樣可以獲得性能更好的AlN陶瓷。

隨著電子材料和電子技術(shù)的發(fā)展，國家也非常重視高導(dǎo)熱材料的研發(fā)和應(yīng)用，目前在很多科研機(jī)構(gòu)和高校在做研發(fā)和試驗(yàn),還沒有像氧化鋁陶瓷基板那樣大范圍的應(yīng)用到企業(yè)終端產(chǎn)品上面。綜上所述，可以得知氮化鋁陶瓷基板的燒結(jié)工藝相對(duì)較難，成本也是比較高的。@陶瓷基板