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好用但贵,氮化铝基板的成本为什么比较高?
2021年12月08日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:297
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当今,毫无疑问是属于信息技术的时代。微电子工业的迅猛发展,使氮化铝(AlN)陶瓷在超大规模集成电路制作中一时风光无限,作为高导热性陶瓷基板以及封装材料倍受注目

氮化铝的优势自不必多说,它的导热率是当前使用最广的氧化铝陶瓷的7倍之多,同时介电常数低,具有与氧化铝匹敌的优良电性,热膨胀率与硅相近,比强度高、密度低及无毒。因此用上氮化铝陶瓷的电子元件运行起来那个“轻快”,着实是让人十分羡慕。但有得必有失,目前氮化铝基板面临的较大困局,就是较高的成本在一定程度上影响了其应用上的推广。

氮化铝基板(图片来源:MARUWA)

那这些成本来自于哪里呢?前面提到了AlN的导热性能十分突出[理论上可达320w/(m·k)],但由于AlN陶瓷中有杂质和缺陷导致产品的热导率远达不到理论值。因此为了尽可能接近理论热导率,凸显出AlN本身的优势,厂商在基板的制备上必须要处处把关,避免出现明显的性能短板。各个工序的精益求精,“成本高”这个结果自然也是顺理成章,具体的可看下方分析。

AlN粉体的制备

首先是原料。AlN粉末作为制备最终陶瓷成品的原料,其纯度、粒度、氧含量以及其它杂质的含量都对后续成品的热导性能、后续烧结,成形工艺有重要影响,是最终成品性能优异与否的基石。


AlN粉末

AlN粉体的合成方法有以下几种:

①直接氮化法:在高温氮气氛围中,铝粉直接与氮气化合生产氮化铝粉末,反应温度一般在800℃~1200℃。

②碳热还原法:将Al2O3粉末和碳粉的混合粉末在高温下(1400℃~1800℃)的流动氮气中发生还原氮化反应生成AlN粉末。

③自蔓延高温合成法:该方法为铝粉的直接氮化,充分利用了铝粉直接氮化为强放热反应的特点,将铝粉于氮气中点然后,利用铝和氮气之间的高化学反应热使反应自行维持下去,合成AlN。

④化学气相沉积法:利用铝的挥发性化合物与氮气或氨气反应,从气相中沉淀析出氮化铝粉末;根据选择铝源的不同,分为无机物(卤化铝)和有机物(烷基铝)化学气相沉积法。

制备方法

优点

缺点

直接氮化法

强放热反应,易自烧结,工艺简单,适合大规模生产

 

由气固扩散控制,需要高温长时反应,质量稳定性差难以合成高纯度、细粒度的产品

碳热还原法

合成粉末纯度高,性能稳定,粉末粒度细小均匀,可制备高档粉末

对工艺条件敏感,反应温度高,合成时间长,需要二次除碳,成本高

化学气相沉积法

工艺可靠,易于实现工序连续化,能获得高纯度纳米级粉体

生产效率低

自蔓延高温合成法

反应速度快,合成时间短,工艺简单,成本低,生产效率高,制得的粉末活性高

反应过程难以控制,难以直呗高质量粉体

有机盐裂解法

可连续生产,制备的粉末高纯,超细

原料成本昂贵

等离子化学合成法

制备的粉体粒度小、活性高、工艺性能好

纯度较低,设备复杂

很明显,纯度高、粒度细以及粒度分布窄的AIN粉末所需的工艺,要不成本高,要不制备工艺复杂,生产效率低,又或者设备要求条件高,这一系列困难带来的后果就是高品质氮化铝粉体价格的走高。

AlN的成型

AlN粉末的成型工艺有很多种,传统的成型工艺诸如模压、热压、等静压等均适用。其中,热压、等静压虽然适用于制备高性能的块体氮化铝瓷材料,但成本高、生产效率低,无法满足电子工业对氮化铝陶瓷基片用量日益增加的需求。为了解决这一问题,近年来人们采用流延法成型氮化铝陶瓷基片。流延法也已成为电子工业用氮化铝陶瓷基本的主要成型工艺。

另外,由于AlN粉末的亲水性强,为了减少氮化铝的氧化,要不就是成型过程中应尽量避免与水接触,也就是说氮化铝陶瓷坯片需要使用有机料浆制备,由于所采用的有机溶剂有很强的挥发性,因此会对环境和人体造成不良影响,存在环境污染问题;要不改善AlN粉末的表面抗水解性能,如借助疏水性和亲水性有机物等在AlN表面形成涂层包裹,或在一定的氧分压气氛中热处理AN粉末,在其表面形成致密的氧化铝层等等。


AlN粉末水解前后的TEM显微图

AlN的烧结

氮化铝的烧结工艺比较苛刻,烧结或热压烧结温度往往高达1800℃以上,既要达到致密烧结、降低杂质含量、减少晶界相的含量,又要简化工艺、降低成本,在AlN陶瓷的烧结过程中关键要做到:是选择适当的烧结工艺及气氛;二是选择适当的烧结助剂。

1.烧结工艺

氮化铝自扩散系数小,烧结非常困难。AlN基片较常用的烧结工艺一般以下有5种。

热压烧结:即在一定压力下烧结陶瓷,可以使加热烧结和加压成型同时进行,可得到晶粒细小、相对密度高和力学性能良好的陶瓷。

无压烧结:烧结工艺简单,常压烧结氮化铝陶瓷一般温度范围为1600-2000℃,适当升高烧结温度和延长保温时间可以提高氮化铝陶瓷的致密度,但强度相对较低。

微波烧结:微波烧结也是一种快速烧结法,利用微波与介质的相互作用产生介电损耗而使坯体整体加热的烧结方法。

放电等离子烧结:融合等离子活化、热压、电阻加热等技术,具有烧结速度快,晶粒尺寸均匀等特点,但是设备费用高,加工工件尺寸受限制。

自蔓延烧结:即在超高压氮气下利用自蔓延高温合成反应直接制备AlN陶瓷致密材料。但由于高温燃烧反应下原料中的Al易熔融而阻碍氮气向毛坯内部渗透,难以得到致密度高的AlN陶瓷。

以上五种烧结工艺中,热压烧结是目前制备高热导率致密化AlN陶瓷的主要工艺。但是它的工艺较复杂,对设备要求高,生产效率较低,因此成本自然也就走高了。

2.烧结气氛

目前,AlN陶瓷烧结气氛有种:中性气氛、还原型气氛和弱还原型气氛。中性气氛采用常用的N2、还原性气氛采用CO,弱还原性气氛则使用H2

在还原气氛中,AlN陶瓷的烧结时间及保温时间不宜过长,且其烧结温度不能过高,以免AlN被还原。而在中性气氛中不会出现上述情况,因此一般选择在氮气中烧结,以此获得性能更高的AlN陶瓷。

3.烧结助剂的添加

在氮化铝陶瓷基板烧结过程中,除了工艺和气氛影响着产品的性能外,烧结助剂的选择也尤为重要。

AlN烧结助剂一般是碱金属氧化物和碱土金属氧化物,烧结助剂主要有两方面的作用:一方面形成低熔点物相,实现液相烧结,降低烧结温度,促进坯体致密化;另一方面,高热导率是AlN基板的重要性能,而实现AlN基板中由于存在氧杂质等各种缺陷,热导率低于及理论值,加入烧结助剂可以与氧反应,使晶格完整化,进而提高热导率。


烧结AlN陶瓷使用的烧结助剂主要有Y2O3CaO、Yb2O3Sm2O3Li2O3B2O3CaF2YF3CaC2等或它们的混合物。选择多元复合烧结助剂,往往能获得比单一烧结助剂更好的烧结效果实现AlN低温烧结,减少能耗便于进行连续生产。而为了找到合适的低温烧结助剂,厂商们往往需要投入大量的时间和精力进行研发,因此这部分也会体现在AlN基板的价格上噢。

 

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