中國粉體網(wǎng)訊 隨著大功率和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成電路和基片間的散熱性也越來越重要，因此，基片必須要具有高的導(dǎo)熱率和電阻率。
氮化鋁具有高熱導(dǎo)率、高溫絕緣性和優(yōu)良的介電性能、良好的耐腐蝕性、與半導(dǎo)體Si相匹配的膨脹性能等優(yōu)點，因此成為優(yōu)良的電子封裝散熱材料，是組裝大型集成電路所必需的高性能陶瓷基片材料。
AlN陶瓷基片粉體制備
Al粉直接氮化法
Al粉直接氮化法原料來源廣、工藝過程簡單，能在較低溫度下反應(yīng)，但此反應(yīng)屬于強放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程由于放出大量的熱量而不好控制，導(dǎo)致鋁粉轉(zhuǎn)化率低，產(chǎn)物易結(jié)塊，產(chǎn)品粒徑粗大，質(zhì)量穩(wěn)定性差，因此要小心控制工藝。
Al2O3碳熱還原法
碳熱還原法的優(yōu)點是原料來源廣、工藝過程簡單，合成的粉體純度高、粒徑小且分布均勻；其缺點在于合成時間較長、氮化溫度較高，而且反應(yīng)后還需對過量的碳進(jìn)行除碳處理，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。
自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成法的反應(yīng)速度很快，不需要外部加熱，成本低廉，但生產(chǎn)效率低，適應(yīng)于大批量工業(yè)化生產(chǎn)。反應(yīng)過程中升溫和冷卻的速度極快，易于形成高濃度缺陷和非平衡結(jié)構(gòu)，粉末的晶形呈不規(guī)則狀，粒徑分布不均勻。
此外，氮化鋁粉體的制備方法還有高能球磨法、化學(xué)氣相沉積法、溶膠-凝膠法、等離子化學(xué)合成法、原位自反應(yīng)合成法、電弧熔煉法、微波合成法、溶劑熱合成法等。
AlN陶瓷基片的成型
流延成型
流延成型制備氮化鋁陶瓷基片的主要工藝，將氮化鋁粉料、燒結(jié)助劑、粘結(jié)劑、溶劑混合均勻制成漿料，通過流延制成坯片，采用組合模沖成標(biāo)準(zhǔn)片，然后用程控沖床沖成通孔，用絲網(wǎng)印刷印制金屬圖形，將每一個具有功能圖形的生坯片疊加，層壓成多層陶瓷生坯片，在氮氣中約700℃排除粘結(jié)劑，然后在1800℃氮氣中進(jìn)行共燒，電鍍后即形成多層氮化鋁陶瓷。
流延成型分為有機(jī)流延成型和水基流延成型兩種。流延成型法在AlN陶瓷基片方面的應(yīng)用具有極強的優(yōu)勢，如設(shè)備要求低，可連續(xù)生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高、自動化程度高，其生產(chǎn)成本低廉，非常適合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)。
注射成型
首先將AlN粉體與有機(jī)粘結(jié)劑按一定比例混合，經(jīng)過造粒得到性能穩(wěn)定的喂料，然后在注射成型機(jī)上成型素坯，再經(jīng)過脫脂、燒結(jié)最終獲得AlN陶瓷基片。
流延等靜壓復(fù)合成型
傳統(tǒng)流延成型工藝所制備出的漿料固相體積含量較低，加上干燥階段中部分有機(jī)溶劑的揮發(fā)，極易導(dǎo)致素坯中孔隙率的增加從而使坯體結(jié)構(gòu)疏松化，弱化后期燒結(jié)效果，難以制備出高致密度、高導(dǎo)熱AlN陶瓷基片。
流延等靜壓復(fù)合成型工藝是基于非水基和水基流延成型發(fā)展的一種新型陶瓷基片成型工藝，既保留了流延成型素坯的延展性，又在此基礎(chǔ)上采用等靜壓二次成型，彌補了前一成型過程留下的致密度低、結(jié)構(gòu)松散等缺陷。
AlN陶瓷基片的燒結(jié)工藝
燒結(jié)助劑及其添加方式
燒結(jié)助劑主要有兩方面的作用：一方面形成低熔點物相，實現(xiàn)液相燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)坯體致密化；另一方面，高熱導(dǎo)率是AlN基板的重要性能，而實際AlN基板中由于存在氧雜質(zhì)等各種缺陷，熱導(dǎo)率低于其理論值，加入燒結(jié)助劑可以與氧反應(yīng)，使晶格完整化，進(jìn)而提高熱導(dǎo)率。
常用的燒結(jié)助劑主要是以堿土金屬和稀土元素的化合物為主，單元燒結(jié)助劑燒結(jié)能力往往很有限，通常要配合1800℃以上燒結(jié)溫度、較長燒結(jié)時間及較多含量的燒結(jié)助劑等條件。燒結(jié)過程中如果僅只采用一種燒結(jié)助劑，所需要的燒結(jié)溫度難以降低，生產(chǎn)成本較高。二元或多元燒結(jié)助劑各成分間相互促進(jìn)，往往會得到更加明顯的燒結(jié)效果。
目前，助燒劑引入的方式一般有2種，一種是直接添加，另一種是以可溶性硝酸鹽形式制成前驅(qū)體原位生成燒結(jié)助劑。后者所生成的燒結(jié)助劑組元分布更為均勻，顆粒更為細(xì)小，比表面能更大。
燒結(jié)溫度
燒結(jié)溫度的提高有助于提高AlN陶瓷的熱導(dǎo)率及強度。王利英等在1500~1800℃范圍內(nèi)燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)溫度的升高有利于AlN陶瓷材料熱導(dǎo)率的增大，得到的AlN陶瓷熱導(dǎo)率從76.9W/(m·K)升高到了113.9W/(m·K)。
在燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度的均勻性深刻影響著AlN陶瓷。燒結(jié)溫度均勻性的研究也為大批量生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本提供了保障，有利于實現(xiàn)AlN陶瓷基片產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)。
燒結(jié)方法
AlN陶瓷基片一般采用無壓燒結(jié)，該燒結(jié)方法是一種最普通的燒結(jié)，雖然工藝簡單、成本較低、可制備形狀復(fù)雜，但燒結(jié)溫度一般偏高，再不添加燒結(jié)助劑的情況下，一般無法制備高性能陶瓷基片。
傳統(tǒng)燒結(jié)方式一般通過外部熱源對AlN坯體進(jìn)行加熱，熱傳導(dǎo)不均且速度較慢，將影響燒結(jié)質(zhì)量。微波燒結(jié)通過坯體吸收微波能量從而進(jìn)行自身加熱，加熱過程是在整個材料內(nèi)部同時進(jìn)行，升溫速度快，溫度分散均勻，防止AlN陶瓷晶粒的過度生長。這種快速燒結(jié)技術(shù)能充分發(fā)揮亞微米級和納米級粉末的性能，具有很強的發(fā)展前景。
放電等離子燒結(jié)技術(shù)主要利用放電脈沖壓力、脈沖能和焦耳熱產(chǎn)生瞬間高溫場實現(xiàn)快速燒結(jié)。放電等離子燒結(jié)技術(shù)的主要特點是升溫速度快，燒結(jié)時間短，燒結(jié)溫度低，可實現(xiàn)AlN陶瓷的快速低溫?zé)Y(jié)。通過該燒結(jié)方法，燒結(jié)體的各個顆粒可類似于微波燒結(jié)那樣均勻地自身發(fā)熱以活化顆粒表面，可在短時間內(nèi)得到致密化、高熱導(dǎo)燒結(jié)體。
參考資料：
倪紅軍、倪威等.高導(dǎo)熱AlN陶瓷基片制備技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
呂帥帥、周宇翔等.高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
王超、彭超群等.AlN陶瓷基板材料的典型性能及其制備技術(shù)
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