氮化鋁陶瓷基板的成本貴的“理由”

 氮化鋁陶瓷在集成電路應(yīng)用廣泛，電子封裝、半導(dǎo)體器件、模組等產(chǎn)品上面起著關(guān)鍵的導(dǎo)熱和絕緣左右，是公認(rèn)的高導(dǎo)熱陶瓷基板材料和絕緣材料。金瑞欣小編今天從氮化鋁陶瓷基板的制備過(guò)程告訴你氮化鋁陶瓷基板成本貴的原因。

一，優(yōu)越的導(dǎo)熱性能和絕緣性能

氮化鋁陶瓷基板理論導(dǎo)熱率高230w以上，具有與氧化鋁匹敵的優(yōu)良電性，熱膨脹率與硅相近，機(jī)械強(qiáng)度高、密度低及無(wú)毒，深受電子元件的青睞。

AlN的導(dǎo)熱性能十分突出[理論上可達(dá)320w/(m·k)]，但由于AlN陶瓷中有雜質(zhì)和缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)達(dá)不到理論值。因此為了盡可能接近理論熱導(dǎo)率，凸顯出AlN本身的優(yōu)勢(shì)，廠商在基板的制備上必須要處處把關(guān)，避免出現(xiàn)明顯的性能短板。各個(gè)工序的精益求精，因此制備過(guò)程比較復(fù)雜，工藝要求較高，自然成本也會(huì)高。

二，從粉體制備、成型、燒結(jié)等方面闡述氮化鋁陶瓷基板制作成本之高：

 1，AlN（氮化鋁陶瓷基板）粉體的制備

首先是原料。AlN粉末作為制備最終陶瓷成品的原料，其純度、粒度、氧含量以及其它雜質(zhì)的含量都對(duì)后續(xù)成品的熱導(dǎo)性能、后續(xù)燒結(jié)，成形工藝有重要影響，是最終成品性能優(yōu)異與否的基石。

AlN粉體的合成方法有以下幾種：

①直接氮化法：在高溫氮?dú)夥諊?，鋁粉直接與氮?dú)饣仙a(chǎn)氮化鋁粉末，反應(yīng)溫度一般在800℃~1200℃。

②碳熱還原法：將Al2O3粉末和碳粉的混合粉末在高溫下（1400℃~1800℃）的流動(dòng)氮?dú)庵邪l(fā)生還原氮化反應(yīng)生成AlN粉末。

③自蔓延高溫合成法：該方法為鋁粉的直接氮化，充分利用了鋁粉直接氮化為強(qiáng)放熱反應(yīng)的特點(diǎn)，將鋁粉于氮?dú)庵悬c(diǎn)然后，利用鋁和氮?dú)庵g的高化學(xué)反應(yīng)熱使反應(yīng)自行維持下去，合成AlN。

④化學(xué)氣相沉積法：利用鋁的揮發(fā)性化合物與氮?dú)饣虬睔夥磻?yīng)，從氣相中沉淀析出氮化鋁粉末；根據(jù)選擇鋁源的不同，分為無(wú)機(jī)物（鹵化鋁）和有機(jī)物（烷基鋁）化學(xué)氣相沉積法。

很明顯，純度高、粒度細(xì)以及粒度分布窄的AIN粉末所需的工藝，要不成本高，要不制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，又或者設(shè)備要求條件高，這一系列困難帶來(lái)的后果就是高品質(zhì)氮化鋁粉體價(jià)格的走高。

2，AlN（氮化鋁陶瓷基板）的成型

AlN（氮化鋁陶瓷）粉末的成型工藝有很多種，傳統(tǒng)的成型工藝諸如模壓、熱壓、等靜壓等均適用。其中，熱壓、等靜壓雖然適用于制備高性能的塊體氮化鋁瓷材料，但成本高、生產(chǎn)效率低，無(wú)法滿足電子工業(yè)對(duì)氮化鋁陶瓷基片用量日益增加的需求。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)人們采用流延法成型氮化鋁陶瓷基片。流延法也已成為電子工業(yè)用氮化鋁陶瓷基本的主要成型工藝。

另外，由于AlN（氮化鋁陶瓷）粉末的親水性強(qiáng)，為了減少氮化鋁的氧化，要不就是成型過(guò)程中應(yīng)盡量避免與水接觸，也就是說(shuō)氮化鋁陶瓷坯片需要使用有機(jī)料漿制備，但由于所采用的有機(jī)溶劑有很強(qiáng)的揮發(fā)性，因此會(huì)對(duì)環(huán)境和人體造成不良影響，存在環(huán)境污染問(wèn)題；要不改善AlN粉末的表面抗水解性能，如借助疏水性和親水性有機(jī)物等在AlN表面形成涂層包裹，或在一定的氧分壓氣氛中熱處理AlN粉末，在其表面形成致密的氧化鋁層等等。

                        AlN粉末水解前后的TEM顯微圖

3，AlN（氮化鋁陶瓷）的燒結(jié)

氮化鋁的燒結(jié)工藝比較苛刻，燒結(jié)或熱壓燒結(jié)溫度往往高達(dá)1800℃以上，既要達(dá)到致密燒結(jié)、降低雜質(zhì)含量、減少晶界相的含量，又要簡(jiǎn)化工藝、降低成本，在AlN陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中關(guān)鍵要做到：一是選擇適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝及氣氛；二是選擇適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑。

1.燒結(jié)工藝

氮化鋁自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)非常困難。AlN基片較常用的燒結(jié)工藝一般以下有5種。

①熱壓燒結(jié)：即在一定壓力下燒結(jié)陶瓷，可以使加熱燒結(jié)和加壓成型同時(shí)進(jìn)行，可得到晶粒細(xì)小、相對(duì)密度高和力學(xué)性能良好的陶瓷。

②無(wú)壓燒結(jié)：燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單，常壓燒結(jié)氮化鋁陶瓷一般溫度范圍為1600-2000℃，適當(dāng)升高燒結(jié)溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度，但強(qiáng)度相對(duì)較低。

③微波燒結(jié)：微波燒結(jié)也是一種快速燒結(jié)法，利用微波與介質(zhì)的相互作用產(chǎn)生介電損耗而使坯體整體加熱的燒結(jié)方法。

④放電等離子燒結(jié)：融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術(shù)，具有燒結(jié)速度快，晶粒尺寸均勻等特點(diǎn)，但是設(shè)備費(fèi)用高，加工工件尺寸受限制。

⑤自蔓延燒結(jié)：即在超高壓氮?dú)庀吕米月痈邷睾铣煞磻?yīng)直接制備AlN陶瓷致密材料。但由于高溫燃燒反應(yīng)下原料中的Al易熔融而阻礙氮?dú)庀蛎鲀?nèi)部滲透，難以得到致密度高的AlN陶瓷。

以上五種燒結(jié)工藝中，熱壓燒結(jié)是目前制備高熱導(dǎo)率致密化AlN陶瓷的主要工藝。但是它的工藝較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高，生產(chǎn)效率較低，因此成本自然也就走高了。

2.燒結(jié)氣氛

目前，AlN陶瓷燒結(jié)氣氛有三種：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(jié)時(shí)間及保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，且其燒結(jié)溫度不能過(guò)高，以免AlN被還原。而在中性氣氛中不會(huì)出現(xiàn)上述情況，因此一般選擇在氮?dú)庵袩Y(jié)，以此獲得性能更高的AlN陶瓷。

3.燒結(jié)助劑的添加

在氮化鋁陶瓷基板燒結(jié)過(guò)程中，除了工藝和氣氛影響著產(chǎn)品的性能外，燒結(jié)助劑的選擇也尤為重要。

AlN燒結(jié)助劑一般是堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物，燒結(jié)助劑主要有兩方面的作用：一方面形成低熔點(diǎn)物相，實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)坯體致密化；另一方面，高熱導(dǎo)率是AlN基板的重要性能，而實(shí)現(xiàn)AlN基板中由于存在氧雜質(zhì)等各種缺陷，熱導(dǎo)率低于及理論值，加入燒結(jié)助劑可以與氧反應(yīng)，使晶格完整化，進(jìn)而提高熱導(dǎo)率。

燒結(jié)AlN陶瓷使用的燒結(jié)助劑主要有Y2O3、CaO、Yb2O3、Sm2O3、Li2O3、B2O3、CaF2、YF3、CaC2等或它們的混合物。選擇多元復(fù)合燒結(jié)助劑，往往能獲得比單一燒結(jié)助劑更好的燒結(jié)效果，實(shí)現(xiàn)AlN低溫?zé)Y(jié)，減少能耗，便于進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。而為了找到合適的低溫?zé)Y(jié)助劑，廠商們往往需要投入大量的時(shí)間和精力進(jìn)行研發(fā)，因此氮化鋁陶瓷基板價(jià)格貴是有道理的。

綜上可知，貴有貴的道理，好才貴！氮化鋁陶瓷制備的成本要么粉體原材料要求很?chē)?yán)格，成本高；要么制作工藝復(fù)雜；要么對(duì)設(shè)備要求很高；氮化鋁陶瓷基板成型、燒結(jié)也是有嚴(yán)格工藝要求的，工藝復(fù)雜.....從氮化鋁粉體到氮化鋁陶瓷基板過(guò)程著實(shí)不容易。金瑞欣主營(yíng)氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板加工生產(chǎn)，氮化鋁陶瓷基板上面做金屬化、線路、鉆孔、做槽等工藝要求，考慮到氮化鋁陶瓷基材料成本高，氮化鋁陶瓷電路板成本也是高于氧化鋁陶瓷基電路板的。更多詳情可以咨詢金瑞欣特種電路。