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高导热氮化铝陶瓷基片的制备技术

发布时间:2019-12-31 13:45    点击次数:177次   

  随着大功率和超大规模集成电路的发展,集成电路和基片间的散热性也越来越重要,因此,基片必须要具有高的导热率和电阻率。

  氮化铝具有高热导率、高温绝缘性和优良的介电性能、良好的耐腐蚀性、与半导体Si相匹配的膨胀性能等优点,因此成为优良的电子封装散热材料,是组装大型集成电路所必需的高性能陶瓷基片材料。

  Al粉直接氮化法原料来源广、工艺过程简单,能在较低温度下反应,但此反应属于强放热反应,反应过程由于放出大量的热量而不好控制,导致铝粉转化率低,产物易结块,产品粒径粗大,质量稳定性差,因此要小心控制工艺。

  碳热还原法的优点是原料来源广、工艺过程简单,合成的粉体纯度高、粒径小且分布均匀;其缺点在于合成时间较长、氮化温度较高,而且反应后还需对过量的碳进行除碳处理,导致生产成本较高。

  自蔓延高温合成法的反应速度很快,不需要外部加热,成本低廉,但生产效率低,适应于大批量工业化生产。反应过程中升温和冷却的速度极快,易于形成高浓度缺陷和非平衡结构,粉末的晶形呈不规则状,粒径分布不均匀。

  此外,氮化铝粉体的制备方法还有高能球磨法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、等离子化学合成法、原位自反应合成法、电弧熔炼法、微波合成法、溶剂热合成法等。

  流延成型制备氮化铝陶瓷基片的主要工艺,将氮化铝粉料、烧结助剂、粘结剂、溶剂混合均匀制成浆料,通过流延制成坯片,采用组合模冲成标准片,然后用程控冲床冲成通孔,用丝网印刷印制金属图形,将每一个具有功能图形的生坯片叠加,层压成多层陶瓷生坯片,在氮气中约700℃排除粘结剂,然后在1800℃氮气中进行共烧,电镀后即形成多层氮化铝陶瓷。

  流延成型分为有机流延成型和水基流延成型两种。流延成型法在AlN陶瓷基片方面的应用具有极强的优势,如设备要求低,可连续生产、生产效率高、自动化程度高,其生产成本低廉,非常适合现代工业生产。

  首先将AlN粉体与有机粘结剂按一定比例混合,经过造粒得到性能稳定的喂料,然后在注射成型机上成型素坯,再经过脱脂、烧结最终获得AlN陶瓷基片。

  传统流延成型工艺所制备出的浆料固相体积含量较低,加上干燥阶段中部分有机溶剂的挥发,极易导致素坯中孔隙率的增加从而使坯体结构疏松化,弱化后期烧结效果,难以制备出高致密度、高导热AlN陶瓷基片。

  流延等静压复合成型工艺是基于非水基和水基流延成型发展的一种新型陶瓷基片成型工艺,既保留了流延成型素坯的延展性,又在此基础上采用等静压二次成型,弥补了前一成型过程留下的致密度低、结构松散等缺陷。

  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,而实际AlN基板中由于存在氧杂质等各种缺陷,热导率低于其理论值,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。

  常用的烧结助剂主要是以碱土金属和稀土元素的化合物为主,单元烧结助剂烧结能力往往很有限,通常要配合1800℃以上烧结温度、较长烧结时间及较多含量的烧结助剂等条件。烧结过程中如果仅只采用一种烧结助剂,所需要的烧结温度难以降低,生产成本较高。二元或多元烧结助剂各成分间相互促进,往往会得到更加明显的烧结效果。

  目前,助烧剂引入的方式一般有2种,一种是直接添加,另一种是以可溶性硝酸盐形式制成前驱体原位生成烧结助剂。后者所生成的烧结助剂组元分布更为均匀,颗粒更为细小,比表面能更大。

  烧结温度的提高有助于提高AlN陶瓷的热导率及强度。王利英等在1500~1800℃范围内烧结,发现温度的升高有利于AlN陶瓷材料热导率的增大,得到的AlN陶瓷热导率从76.9W/(m·K)升高到了113.9W/(m·K)。

  在烧结炉中,烧结温度的均匀性深刻影响着AlN陶瓷。烧结温度均匀性的研究也为大批量生产、降低生产成本提供了保障,有利于实现AlN陶瓷基片产品的商业化生产。

  AlN陶瓷基片一般采用无压烧结,该烧结方法是一种最普通的烧结,虽然工艺简单、成本较低、可制备形状复杂,但烧结温度一般偏高,再不添加烧结助剂的情况下,一般无法制备高性能陶瓷基片。

  传统烧结方式一般通过外部热源对AlN坯体进行加热,热传导不均且速度较慢,将影响烧结质量。微波烧结通过坯体吸收微波能量从而进行自身加热,加热过程是在整个材料内部同时进行,升温速度快,温度分散均匀,防止AlN陶瓷晶粒的过度生长。这种快速烧结技术能充分发挥亚微米级和纳米级粉末的性能,具有很强的发展前景。

  放电等离子烧结技术主要利用放电脉冲压力、脉冲能和焦耳热产生瞬间高温场实现快速烧结。放电等离子烧结技术的主要特点是升温速度快,烧结时间短,烧结温度低,可实现AlN陶瓷的快速低温烧结。通过该烧结方法,烧结体的各个颗粒可类似于微波烧结那样均匀地自身发热以活化颗粒表面,可在短时间内得到致密化、高热导烧结体。


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