高導熱氮化鋁陶瓷基片如何制備

    隨著大功率和超大規模集成電路的發展，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熱率和電阻率。氮化鋁具有高熱導率、高溫絕緣性和優良的介電性能、良好的耐腐蝕性、與半導體Si相匹配的膨脹性能等優點，因此成為優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。鈞杰陶瓷專業技術創新精神、誠信合作、持續發展的理念。專用精密加工各種工業陶瓷材料，公司具有獨特的陶瓷件精密加工機床，保證了工業陶瓷產品的加工精度，工件質量性能優于同類產品，受到廣大客戶的一致認可。鈞杰陶瓷期待與大家一起合作。咨詢精密陶瓷加工聯系電話：136 998 99025。 一、AlN陶瓷基片粉體制備
1、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，但此反應屬于強放熱反應，反應過程由于放出大量的熱量而不好控制，導致鋁粉轉化率低，產物易結塊，產品粒徑粗大，質量穩定性差，因此要小心控制工藝。
2、Al2O3碳熱還原法
碳熱還原法的優點是原料來源廣、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，而且反應后還需對過量的碳進行除碳處理，導致生產成本較高。 
3、自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成法的反應速度很快，不需要外部加熱，成本低廉，但生產效率低，適應于大批量工業化生產。反應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構，粉末的晶形呈不規則狀，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、化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法、等離子化學合成法、原位自反應合成法、電弧熔煉法、微波合成法、溶劑熱合成法等。

二、AlN陶瓷基片的成型
1、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、燒結助劑、粘結劑、溶劑混合均勻制成漿料，通過流延制成坯片，采用組合模沖成標準片，然后用程控沖床沖成通孔，用絲網印刷印制金屬圖形，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℃排除粘結劑，然后在1800℃氮氣中進行共燒，電鍍后即形成多層氮化鋁陶瓷。
流延成型分為有機流延成型和水基流延成型兩種。流延成型法在AlN陶瓷基片方面的應用具有極強的優勢，如設備要求低，可連續生產、生產效率高、自動化程度高，其生產成本低廉，非常適合現代工業生產。
2、注射成型
首先將AlN粉體與有機粘結劑按一定比例混合，經過造粒得到性能穩定的喂料，然后在注射成型機上成型素坯，再經過脫脂、燒結最終獲得AlN陶瓷基片。
3、流延等靜壓復合成型
傳統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溶劑的揮發，極易導致素坯中孔隙率的增加從而使坯體結構疏松化，弱化后期燒結效果，難以制備出高致密度、高導熱AlN陶瓷基片。
流延等靜壓復合成型工藝是基于非水基和水基流延成型發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、結構松散等缺陷。
三、AlN陶瓷基片的燒結工藝
燒結助劑及其添加方式
燒結助劑主要有兩方面的作用：一方面形成低熔點物相，實現液相燒結，降低燒結溫度，促進坯體致密化；另一方面，高熱導率是AlN基板的重要性能，而實際AlN基板中由于存在氧雜質等各種缺陷，熱導率低于其理論值，加入燒結助劑可以與氧反應，使晶格完整化，進而提高熱導率。
常用的燒結助劑主要是以堿土金屬和稀土元素的化合物為主，單元燒結助劑燒結能力往往很有限，通常要配合1800℃以上燒結溫度、較長燒結時間及較多含量的燒結助劑等條件。燒結過程中如果僅只采用一種燒結助劑，所需要的燒結溫度難以降低，生產成本較高。二元或多元燒結助劑各成分間相互促進，往往會得到更加明顯的燒結效果。
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體原位生成燒結助劑。后者所生成的燒結助劑組元分布更為均勻，顆粒更為細小，比表面能更大。
1、燒結溫度
燒結溫度的提高有助于提高AlN陶瓷的熱導率及強度。王利英等在1500~1800℃范圍內燒結，發現溫度的升高有利于AlN陶瓷材料熱導率的增大，得到的AlN陶瓷熱導率從76.9W/(m·K)升高到了113.9W/(m·K)。
在燒結爐中，燒結溫度的均勻性深刻影響著AlN陶瓷。燒結溫度均勻性的研究也為大批量生產、降低生產成本提供了保障，有利于實現AlN陶瓷基片產品的商業化生產。 
2、燒結方法
AlN陶瓷基片一般采用無壓燒結，該燒結方法是一種最普通的燒結，雖然工藝簡單、成本較低、可制備形狀復雜，但燒結溫度一般偏高，再不添加燒結助劑的情況下，一般無法制備高性能陶瓷基片。
傳統燒結方式一般通過外部熱源對AlN坯體進行加熱，熱傳導不均且速度較慢，將影響燒結質量。微波燒結通過坯體吸收微波能量從而進行自身加熱，加熱過程是在整個材料內部同時進行，升溫速度快，溫度分散均勻，防止AlN陶瓷晶粒的過度生長。這種快速燒結技術能充分發揮亞微米級和納米級粉末的性能，具有很強的發展前景。
放電等離子燒結技術主要利用放電脈沖壓力、脈沖能和焦耳熱產生瞬間高溫場實現快速燒結。放電等離子燒結技術的主要特點是升溫速度快，燒結時間短，燒結溫度低，可實現AlN陶瓷的快速低溫燒結。通過該燒結方法，燒結體的各個顆粒可類似于微波燒結那樣均勻地自身發熱以活化顆粒表面，可在短時間內得到致密化、高熱導燒結體。