高导热氮化铝陶瓷基片制备技术简述
2020-12-18 17:41:10
氮化铝陶瓷具有优异的导热性能，热膨胀系数接近硅且无毒，被视为新一代电子封装材料，非常适用于混合功率开关的封装以及微波真空管封装壳体材料，同时也是大规模集成电路基片的理想的材料，这也是AIN陶瓷的主要用途。
一块高导热氮化铝陶瓷基片的制备工艺主要由：氮化铝粉体制备、成型工艺和烧结工艺这三个方面有关，下文将对这三个方面的发展概况及关键技术进行简单的介绍。
氮化铝陶瓷基板：适用于大功率LED封装散热基板、
IGBT功率模块以用薄膜印刷电路(备注：图片来源于潮州三环官网)
一、粉体制备
氮化铝陶瓷的优良性能与原材料粉体的性能有着直接的关系，高性能AIN粉体是制备高热导率AIN陶瓷的关键。制备AIN粉体的方法有很多种（见下表1），也都存在各自的不足，但他们都有一个共同点就是成本较高。
表1 AIN粉体的典型制备方法及特点
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综合来看，氧化铝粉碳热还原法和铝粉直接氮化法比较成熟，已经用于工业化大规模生产，成为当前高性能AIN陶瓷原料的主流制备工艺。目前掌握高性能AIN粉生产技术的厂家并不多，主要分布在日本、德国和美国。
这其中日本德山曹达公司采用的氧化铝粉碳热还原法生产的AIN粉被全球公认为质量最好，性能最稳定，基本占据了高端AIN粉市场。日本东芝，京瓷公司，住友电子等大部分基板和封装都在使用该AIN粉。此外，美国DOW化学公司也掌握了氧化铝粉碳热还原法生产AIN粉技术。日本东洋铝公司则采用成本相对较低的铝粉直接氮化法生产AIN粉，性能也挺好，热导率也能稳定在170W/m•K以上。优质的AIN粉及品质一般的氮化铝粉的区别见下表分析。
表2 高品质氮化铝及普通品质氮化铝粉体性能对比
二、成型工艺
传统的成型工艺如干压、等静压成型等方法虽然适用于高性能 AlN块体材料的制备，但成本高、效率低，难以用于规模化生产。为突破AlN陶瓷传统成型方法的局限性，新型成型工艺如流延、注凝、注射成型应运而生，后两者主要适用于复杂形状的零件。
目前，流延成型是AlN陶瓷基片的主要成型方法。
1、流延成型工艺
流延成型法也称括刀成型法，目前已成为高导热AlN陶瓷基片的主要成型工艺，AlN浆体内各添加剂如溶剂、分散剂、黏结剂和增塑剂的加入是改善其流动性、提高力学性能，从而制备高性能AlN陶瓷基片的重要因素之一。
流延成型工艺流程方框图
流延成型有2种体系，即有机流延体系和水机流延体系。较后者而言，有机流延体系研究较早应用更为普遍，具有溶剂选择范围广、干燥时间短、防止粉体水化等特点，但其常用的醇、酮、苯等有机溶剂具有一定的毒性，破坏环境，成本较高。近年来，水基流延成型工艺得到了广泛关注，但成坯质量低、干燥易开裂等问题一直制约着其发展进程。但无论哪种体系，浆料的流变性能无疑是AlN陶瓷成型工艺最为关键的因素之一。
从操作成本及可持续发展角度看，水基流延体系更胜一筹，但AlN粉末的易水解性严重阻碍了AlN陶瓷水基流延成型工艺的发展，因此人们会通过表面改性工艺来提高AlN粉末的抗水解能力和稳定性，详细内容此处不再展开。感兴趣可以点开下文链接详读。
粉体改性相关阅读：氮化铝粉体的表面改性及评价方法初探
2、流延等静压复合成型工艺
采用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。
三、烧结工艺
1、烧结方法
AlN陶瓷基片一般采用无压烧结(常压烧结)，该烧结方法是一种最普通的烧结，虽然工艺简单、成本较低、可制备复杂器件，但烧结温度一般偏高，在不添加烧结助剂的情况下，一般无法制备高性能AlN陶瓷基片。（助剂相关见下文解析。近年来，出现了一些新型烧结方式，如微波烧结、放电等离子烧结等。
a 微波烧结
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。
例子：研究人员采用该烧结方法对加有质量分数3%Y2O3的AlN粉体进行烧结，在烧结温度较低的情况下制备出了接近理论密度的AlN陶瓷材料，热导率达160～225W/( m·K)。
b 放电等离子烧结
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
例子：有研究人员将添加质量分数3% Sm2O3的AlN坯体通过放电等离子烧结技术在1500℃下仅烧结3min，便得到高达118 W/( m·K)的热导率。
2、烧结助剂成分及其添加方式
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。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。
烧结助剂相关阅读：氮化铝（AlN）烧结助剂的选择方法及分类
参考文献：
1、高性能氮化铝粉体技术发展现状，中国电子科技集团公司第四十三研究所，张浩，崔嵩，何金奇。
2、高导热AlN陶瓷基片制备技术研究现状及发展趋势；南通大学机械工程学院，倪红军，倪威，顾涛，吕帅帅；马立斌，何竟宇，莱鼎电子材料科技有限公司。
：小白