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      氮化鋁陶瓷基板燒結三大關鍵因素:助劑、工藝及氣氛

      氮化鋁陶瓷基板燒結三大關鍵因素:助劑、工藝及氣氛

      編輯:轉自:材料科學與工程技術 發布時間:2024-03-08

      氮化鋁陶瓷具備優異的綜合性能,是近年來受到廣泛關注的新一代先進陶瓷,是高密度、大功率和高速集成電路基板和封裝的理想材料。而在氮化鋁—系列重要性質中,最為顯著的是高熱導率。氮化鋁陶瓷基板熱導率理論上可達320w/(m·k),但由于氮化鋁中有雜質和缺陷,導致氮化鋁產品的熱導率遠達不到理論值。既要達到致密燒結、降低雜質含量、減少晶界相的含量,又要簡化工藝、降低成本,在AlN陶瓷的燒結過程中關鍵要做到:—是選擇適當的燒結工藝及氣氛;二是選擇適當的燒結助劑。

      氮化鋁陶瓷基板的燒結工藝

      氮化鋁自擴散系數小,燒結非常困難。AlN基片較常用的燒結工藝一般以下有5種。

      ① 熱壓燒結

      熱壓燒結是目前制備高熱導率致密化AlN陶瓷的主要工藝方法之一。所謂熱壓燒結,即在一定壓力下燒結陶瓷,可以使加熱燒結和加壓成型同時進行。降低氮化鋁陶瓷的燒結溫度,促進陶瓷致密化。以25MPa高壓,1700℃下燒結4h便制得了密度為3.26g/cm3、熱導率為200W/(m.K)的AlN陶瓷燒結體,AlN晶格氧含量為0.49wt%,比1800℃下燒結8h得到的AlN燒結體的晶格氧含量(1.25wt%)低了60%多,熱導率得以提高。

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      ② 無壓燒結

      無壓燒結亦稱常壓燒結,常壓燒結是AlN陶瓷傳統的制備工藝。在常壓燒結過程中,坯體不受外加壓力作用,僅在一般氣壓下經加熱由粉末顆粒的聚集體轉變為晶粒結合體,常壓燒結是最簡單、最廣泛的的燒結方法。常壓燒結氮化鋁陶瓷一般溫度范圍為1600-2000℃,適當升高燒結溫度和延長保溫時間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度。

      由于AlN為共價鍵結構,純氮化鋁粉末難以進行固相燒結,所以經常在原料中加入燒結助劑以促進陶瓷燒結致密化。常見的燒結助劑包括堿土金屬類化合物助劑、稀土類化合物助劑等。一般情況下,常壓燒結制備AlN陶瓷需要燒結溫度高,保溫時間較長,但其設備與工藝流程簡單,操作方便。

      ③ 微波燒結

      微波燒結也是一種快速燒結法,利用微波與介質的相互作用產生介電損耗而使坯體整體加熱的燒結方法。微波同時使粉末顆?;钚蕴岣?,有利于物質的傳遞。能實現整體加熱而極大地縮短燒結時間,并抑制晶粒生長,所得陶瓷晶體細小均勻。使用Nd2O3-CaF2-B2O3作燒結助劑,以微波在1250℃低溫燒結,可以得到熱導率為66.4W/(m?K)的AlN陶瓷。

      ④ 放電等離子燒結

      放電離子燒結(SPS)是一種新型快速燒結技術,融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術,具有燒結速度快,晶粒尺寸均勻等特點。放電離子燒結除了具有脈沖電流通過石墨模具產生的焦耳熱和熱壓燒結過程中壓力造成的塑性變形等要素外,脈沖電流還能在AlN坯體顆粒之間的尖端處產生電壓,并產生局部放電現象,所產生的等離子,撞擊顆粒表面,導致物質蒸發,可以達到凈化顆粒表面和活化顆粒的作用。利用放電離子燒結技術在1730℃、50MPa的條件下,只用5min便可燒結出相對密度為99.3%的AlN陶瓷材料。

      ⑤ 自蔓延燒結

      自蔓延燒結即在超高壓氮氣下利用自蔓延高溫合成反應直接制備AlN陶瓷致密材料。但由于高溫燃燒反應下原料中的Al易熔融而阻礙氮氣向毛坯內部滲透,難以得到致密度高的AlN陶瓷。

       燒結氣氛 

      目前,AlN陶瓷燒結氣氛有3種:中性氣氛、還原型氣氛和弱還原型氣氛。中性氣氛采用常用的N2、還原性氣氛采用CO,弱還原性氣氛則使用H2。

      在還原氣氛中,AlN陶瓷的燒結時間及保溫時間不宜過長,且其燒結溫度不能過高,以免AlN被還原。而在中性氣氛中不會出現上述情況,因此一般選擇在氮氣中燒結,以此獲得性能更高的AlN陶瓷。
       燒結助劑的選擇及添加 

      在氮化鋁陶瓷基板燒結過程中,除了工藝和氣氛影響著產品的性能外,燒結助劑的選擇也尤為重要。在常壓下進行燒結,添加適宜的燒結助劑不僅能夠大大降低能耗,還能夠制備出高性能的AlN陶瓷。研究表明,通過添加一些低熔點的燒結助劑,可以在氮化鋁燒結過程中產生液相,促進氮化鋁坯體的致密燒結。

      AlN燒結助劑一般是堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物,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,而實現AlN基板中由于存在氧雜質等各種缺陷,熱導率低于理論值,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。

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      然而,燒結助劑不能盲目地添加,添加的量也要適宜,否則可能會產生不利的作用。例如,燒結助劑添加量過多,會導致大量第二相的出現,進而致使AlN的熱導率會顯著降低。目前,燒結AlN陶瓷使用的燒結助劑主要有Y2O3、CaO、Yb2O3、Sm2O3、Li2O3、B2O3、CaF2、YF3、CaC2等或它們的混合物。

       市場分析及展望 

      氮化鋁基板的生產能力主要集中于全球少數廠家,其中日本是全球最大的氮化鋁基板出口國,核心廠商為日本丸和、京瓷等。國內已涌現一批具備氮化鋁基板批量生產的企業,龍頭公司的產能已超50萬片/月,逐步接近日本丸和。隨著高質量氮化鋁基板的生產能力不斷提升,未來有望改變高性能陶瓷基板長期依賴進口的局面。

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      目前氮化鋁陶瓷基板的市場空間約10億元,2019年-2022年,國內氮化鋁陶瓷基板市場空間的復合增長率超20%。隨著下游大規模集成電路、IGBT、微波通訊、汽車電子及影像傳感等產業的迅速發展,以及在電子器件功率提升的大背景下,氮化鋁的應用規模將進一步擴大。根據360 research reports數據預測,到2026年,全球AlN陶瓷基板市場規模預計將從2020年的6100萬美元達到1.073億美元,應用市場前景廣闊。

      聲      明:文章內容來源于材料科學與工程技術 。如有侵權,請聯系小編刪除,謝謝!

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