随着半导体的高输出化不断发展，对半导体搭载用电路基板提出了更高的要求。除了轻量化更加密集的电路带来更高的热量，需要基板材料有良好的导热能力之外，半导体芯片的进化也对基板材料提出了更高的要求。

例如，SiC作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。但SiC器件的工作温度可达400℃左右，远远高于Si器件的150℃工作温度，因此，就要求半导体搭载用的绝缘基板材料在如此的高温下也能发挥优异的绝缘特性。

一、氮化铝基板概要

氮化铝基板材料热膨胀系数（4.6×10^-6/K）与SiC芯片热膨胀系数（4.5×10^-6/K）相近，导热率系数大（170-230W/m▪K），绝缘性能优异，可以适应SiC的应用要求，是搭载SiC半导体的理想基板材料。

以往，氮化铝基板主要通过如下工艺制备：

在氮化铝粉末中混合煅烧助剂、粘合剂、增塑剂、分散介质、脱模机等添加剂，通过挤出成型在空气中或氮等非氧化性气氛中加热到350-700℃而将粘合剂去除后（脱脂），在1800-1900℃的氮等非氧化性气氛中保持0.5-10小时的（煅烧）。

该法制备氮化铝基板的缺陷：

通过上述工艺制备出来的氮化铝基板材料，其击穿电压在室温下显示为30-40kV/mm左右的高绝缘性，但在400℃的高温下则降低到10kV/mm左右。

下文将为大家分享一种在高温下具备优异绝缘特性的氮化铝基板的制备方法。通过该法可制备出耐高温氮化铝基板材料具有如下特点：

氮化铝晶粒平均大小为2-5μm

热导率为170W/m▪K以上

不含枝状晶界相

在400℃下的击穿电压为30kV/mm以上

二、耐高温氮化铝基板的制备工艺

1、原料准备

氮化铝选用高纯度且为微粉的“氮化铝粉末”，一般而言氧质量含量在1.2%以下，碳质量含量为0.04%以下，Fe含量为30ppm以下，Si含量为60ppm以下。氮化铝粉体的最大粒径最好控制在20μm以下的氮化铝粉末。

此处，“氧”基本上属于杂质，但有防止过分煅烧的作用，因此为了防止煅烧导致的煅烧体强度下降优先选用氧质量含量在0.7%以上的氮化铝粉末。

此外，在原料中常含有“煅烧助剂”，大多使用稀土金属化合物、碱土金属化合物、过渡金属化合物等。例如可选用氧化钇或氧化铝等，这些煅烧助剂与氮化铝粉体形成复合的氧化物液相（例如2Y₂O_3▪Al₂O₃,3Y₂O_3▪5Al₂O₃等），该液相带来煅烧体的高密度化，同时，提取氮化铝晶粒中属于杂质的氧，以结晶晶界的氧化物进行偏析，从而使氮化铝基板的导热率提高。

2、基片成型

利用混合装置（球磨机、棒磨机或砂磨机等）将煅烧助剂与合格的氮化铝粉末混合，在混合后得到的原料粉中添加粘合剂后，通过片材成型（流延成型，注塑成型等）工艺得到成型体，进一步将其脱脂。

粘合剂可选用具有表面活性效果的甲基纤维素系或热降解性优异的丙烯酸脂系站合计

成型片的脱脂方法举例：将成型片在空气中或非氧化性气氛中加热到300-700℃，将粘合剂除去。脱脂时间需根据成型片尺寸、处理片数适当地决定，通常在1-10小时。

3、煅烧工序

将如上工段中的成型片材进行煅烧得到氮化铝基板的煅烧体。具体工艺参数见下文。

在该工序中，首先将煅烧炉内压力设为150Pa以下加热到1500℃。由此，脱脂体中的残留碳被除去，以得到具有理想煅烧体组织和热导率的氮化铝煅烧体。如果炉内压力超过150Pa，则不能充分地除去碳，如果温度超过1500℃进行加热，氮化铝晶粒将会有致密化的趋势，碳的扩散路径将会被闭合，因此不能充分的除去碳。

随后，利用非氧化性气氛，在压力为0.4MPa以上的加压气氛下升温到1700-1900℃进行保持，由此得到热导率高、绝缘性能优异的氮化铝煅烧体。此处，如果在炉内压力0.4MPa以上的加压气氛下进行煅烧，则液相化的煅烧助剂不易挥发，能有效的预制氮化铝晶粒的空隙产生，能有效的提高氮化铝基板的绝缘特性；如果煅烧温度不足1700℃，则由于氮化铝的晶粒的粒子生长不充分而无法得到致密的的煅烧体组织，导致基板的导热率下降，；另一方面，如果煅烧温度超过1900℃，则氮化铝晶粒过度长大，导致氧化铝晶粒间的空隙增大，从而导致氮化铝基板的绝缘性下降。

一般而言，氮化铝晶粒的平均粒径在2μm到5μm之间可以有较好的热导率及机械强度。晶粒过小，致密度下降，则导热率下降；晶粒过大，则氮化铝晶粒间隙增大，从而存在绝缘性、机械强度下降的情况。

此处，非氧化性气氛是指不含氧等氧化性气体的惰性气氛，还原气氛等。

接着，在加压气氛下，以10℃/分钟以下的冷却速度冷却到1600℃；在冷却至1600℃以后，便可以如通常那样，可以快速冷却至室温。

在冷却过程中，如果冷却速度过快，由于急剧进行液相的固化，因此氮化铝晶粒的两个粒子界面析出枝状的晶界面（有研究表明枝状的晶界面会影响基板的高温绝缘性能），从而使基板材料的高温绝缘性能变弱。

但是若是以10℃/分钟以下的冷却速度进行冷却晶界相析出从而填埋氮化铝晶粒存在的空隙，不会引起晶界相彼此的连接，。从而可以预制枝状晶界相的析出。此外，由于在缓解氮化铝晶粒间变形的同时析出晶界相，因此得到的氮化铝基板可以预制在高温下的微小裂纹的产生，从而使氮化铝基板的高温绝缘性能得以提高。

最后，对成品进行检测及后加工。可按实际要求对基板材料进行冷加工，如抛光，金属化，打孔等后处理以获得氮化铝基板材料。

参考资料：

1、电路基板用氮化铝基板及其制造方法，电气化学工业株式会社

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粉体圈 作者：小白