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氮化鋁陶瓷基板好用,為什么成本會(huì)比較高?

 時(shí)間:2022-03-22     瀏覽:2327     分享

如今毫無(wú)疑問(wèn),它屬于信息技術(shù)時(shí)代。隨著微電子工業(yè)的快速發(fā)展,氮化鋁陶瓷基板已廣泛用于制造超大規(guī)模集成電路。作為一種高導(dǎo)熱陶瓷基板和封裝材料,氮化鋁陶瓷基板如今已備受關(guān)注。

 

毋庸置疑,氮化鋁的優(yōu)點(diǎn)是其熱導(dǎo)率是最廣泛使用的氧化鋁陶瓷的7倍。同時(shí)它具有低介電常數(shù)、與氧化鋁相比的優(yōu)良電性能、與硅相近的熱膨脹率、高比強(qiáng)度、低密度、無(wú)毒等特點(diǎn)。因此,在使用氮化鋁陶瓷基板的電子元件的“輕”,著實(shí)令人羨慕。但有得也有失。目前,氮化鋁陶瓷基板面臨著一個(gè)很大的困境,即高昂的成本在一定程度上影響了其應(yīng)用推廣。

 

那么這些成本從何而來(lái)?如前所述,氮化鋁的導(dǎo)熱性非常出色(理論上可達(dá)320W/m-k)。但由于氮化鋁陶瓷中的雜質(zhì)和缺陷,產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)與理論值相差甚遠(yuǎn)。因此,為了盡可能接近理論熱導(dǎo)率并突出氮化鋁本身的優(yōu)勢(shì),制造商必須在基板的制備中處處檢查,以避免出現(xiàn)明顯的性能缺陷。而每一道工序的改進(jìn),以及“高成本”的結(jié)果,自然是順理成章的。以下文分析成本較高的氮化鋁陶瓷。

 

一、氮化鋁粉末的制備

首先是原材料。氮化鋁粉末用作制備最終陶瓷產(chǎn)品的原料,其純度、粒度、氧含量及其他雜質(zhì)含量對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的導(dǎo)熱性、后續(xù)燒結(jié)和成型工藝有著重要影響,是最終產(chǎn)品性能好壞的基石。

 

氮化鋁粉末的合成方法如下:

1. 直接氮化法:在高溫氮?dú)鈿怏w下,鋁粉與氮?dú)庵苯咏Y(jié)合生成氮化鋁粉,反應(yīng)溫度一般為800~1200℃。

2. 碳熱還原法:將氧化鋁粉和碳粉的混合粉在流動(dòng)的氮?dú)庵性诟邷兀?/span>1400~1800℃)中還原氮化,形成氮化鋁粉。

3. 自蔓延高溫合成法:此法為鋁粉直接氮化,充分利用鋁粉直接氮化作為強(qiáng)放熱反應(yīng)的特點(diǎn)。將鋁粉置于氮的中點(diǎn),然后通過(guò)鋁和氮之間的高化學(xué)反應(yīng)熱維持反應(yīng),合成氮化鋁。

4. 化學(xué)氣相沉積法:鋁的揮發(fā)化合物與氮?dú)饣虬睔夥磻?yīng),從氣相中沉淀出氮化鋁粉末;根據(jù)鋁源不同,可分為無(wú)機(jī)(鹵化鋁)和有機(jī)(烷基鋁)化學(xué)氣相沉積。

 

顯然高純度、細(xì)粒度和窄粒度分布的氮化鋁粉體所需的工藝要么是成本高、制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、要么是設(shè)備要求高。這一系列困難的后果是優(yōu)質(zhì)氮化鋁粉的價(jià)格上漲。

 

二、氮化鋁陶瓷成型

氮化鋁粉末的成型工藝較多、可適用成型、熱壓、等靜壓等傳統(tǒng)成型工藝。其中,熱壓和等靜壓適用于制備高性能塊體氮化鋁陶瓷材料,但成本高、生產(chǎn)效率低,不能滿足電子行業(yè)對(duì)氮化鋁陶瓷基板日益增長(zhǎng)的需求。為了解決這個(gè)問(wèn)題,近年來(lái)已經(jīng)通過(guò)流延成型形成氮化鋁陶瓷基板,流延成型也成為電子工業(yè)用氮化鋁陶瓷基板的主要基本成型工藝。

 

另外,由于氮化鋁粉體的親水性強(qiáng),為了減少氮化鋁的氮化或者在成型的過(guò)程中避免與水接觸,即需要用有機(jī)漿料制備氮化鋁陶瓷材料。但由于所用有機(jī)溶劑揮發(fā)性強(qiáng),會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生不良影響,造成環(huán)境污染問(wèn)題;不需要提高氮化鋁粉末的表面抗水解能力,如借助疏水性和親水性有機(jī)物在氮化鋁表面形成涂層,或在一定氧分壓氣氛下對(duì)氮化鋁粉末進(jìn)行處理,形成致密的氧化鋁其表面的層等。

 

三、氮化鋁陶瓷的燒結(jié)

氮化鋁的燒結(jié)工藝比較苛刻,燒結(jié)或熱壓燒結(jié)溫度常在1800℃以上。為實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié),降低雜質(zhì)和晶界相含量,簡(jiǎn)化工藝,降低成本,氮化鋁陶瓷燒結(jié)工藝的要點(diǎn)如下:首先,選擇合適的燒結(jié)工藝和氣氛;二是選擇合適的燒結(jié)助劑。

 

1、燒結(jié)工藝

氮化鋁的自擴(kuò)散系數(shù)低,燒結(jié)非常困難。氮化鋁陶瓷基板一般有五種常見(jiàn)的燒結(jié)工藝。

 

熱壓燒結(jié):即在一定壓力下對(duì)陶瓷進(jìn)行燒結(jié),可以同時(shí)進(jìn)行加熱燒結(jié)和加壓成型,得到晶粒細(xì)小、相對(duì)密度高、力學(xué)性能好的陶瓷。

無(wú)壓燒結(jié):燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單。常壓燒結(jié)氮化鋁陶瓷的一般溫度范圍為1600-2000℃。適當(dāng)提高燒結(jié)溫度,延長(zhǎng)保溫時(shí)間,可以提高氮化鋁陶瓷的密度,但強(qiáng)度相對(duì)較低。

微波燒結(jié):微波燒結(jié)也是一種快速燒結(jié)方法,利用微波與介質(zhì)的相互作用,產(chǎn)生介電損耗,使整體發(fā)熱。

火花等離子燒結(jié):集等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術(shù)于一體,具有燒結(jié)速度快、晶粒尺寸均勻等特點(diǎn),但設(shè)備成本高,加工工件尺寸有限。

自蔓延燒結(jié):即在超高壓氮?dú)庀峦ㄟ^(guò)自蔓延高溫合成反應(yīng)直接制備致密的AlN陶瓷材料。但是,由于原料中的氮化鋁在高溫燃燒反應(yīng)下易熔化,阻礙了氮向坯料的滲透,因此很難獲得高密度的氮化鋁陶瓷基板。

 

2、燒結(jié)氣氛

目前氮化鋁陶瓷的燒結(jié)氣氛有中性氣氛、還原氣氛和弱還原氣氛三種。普通N2用于中性氣氛,CO用于還原氣氛,H2用于弱還原氣氛。

 

在還原氣氛中,氮化鋁陶瓷的燒結(jié)時(shí)間和保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),燒結(jié)溫度也不宜過(guò)高,以免氮化鋁被還原。上述情況在中性氣氛下不會(huì)發(fā)生,因此一般選擇在氮?dú)庵袩Y(jié)以獲得更高性能的氮化鋁陶瓷。

 

3、燒結(jié)助劑的添加

在氮化鋁陶瓷基板的燒結(jié)過(guò)程中,除了影響產(chǎn)品性能的工藝和氣氛外,燒結(jié)助劑的選擇也尤為重要。

 

氮化鋁燒結(jié)助劑一般為堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物。助燒劑主要有兩個(gè)作用:一方面形成低熔點(diǎn)相,實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié),降低燒結(jié)溫度,促進(jìn)生坯致密化;另一方面,高導(dǎo)熱性是氮化鋁襯底的重要性能。由于氮化鋁襯底中存在氧雜質(zhì)等各種缺陷,熱導(dǎo)率低于理論值。添加燒結(jié)助劑可與氧發(fā)生反應(yīng),使晶格完整,提高導(dǎo)熱性。

 

用于燒結(jié)氮化鋁陶瓷的燒結(jié)助劑主要有Y2O3、CaoYb2O3、Sm2O3li2o3、B2O3、CaF2、yf3CaC2等或它們的混合物。選擇多種復(fù)合燒結(jié)助劑,往往能獲得比單一燒結(jié)助劑更好的燒結(jié)效果,實(shí)現(xiàn)氮化鋁低溫?zé)Y(jié),降低能耗,便于連續(xù)生產(chǎn)。為了找到合適的低溫?zé)Y(jié)助劑,廠家往往需要投入大量的時(shí)間和精力進(jìn)行研發(fā),所以這部分也會(huì)體現(xiàn)在氮化鋁陶瓷基板的價(jià)格上。