氮化铝基板制备.ppt

长期以来，绝大多数大功率混合集成电路的基板材料一直沿用Al2O3和BeO陶瓷，但Al2O3基板的热导率低，热膨胀系数和Si不太匹配； BeO虽然具有优异的综合性能，但其较高的生产本钱和剧毒的缺点限制了它的应用推广。因此从性能、本钱和环保等因素考虑，二者已不能满足现代电子功率器件和开展的需要。 氮化铝陶瓷具备优异的综合性能，是近年来受到广泛关注的新一代先进陶瓷，在多方面都有着广泛的应用前景，尤其是其具有高热导率、低介电常数、低介电损耗、优良的电绝缘性，与硅相匹配的热膨胀系数及无毒性等优点，使其成为高密度、大功率和高速集成电路基板和封装的理想材料。 ;表1 4种陶瓷封装材料的性能比照;AlN的典型性能; 氮化铝的物理化学性质; 表2 AlN的主要性能; AlN导热机理 在氮化铝—系列重要性质中，最为显著的是高热导率。其主要机理为：通过点阵或晶格震动，即借助晶格波或热波进行热传递。AlN陶瓷为绝缘陶瓷材料，对于绝缘陶瓷材料，热能以原子震动方式传递，属于声子导热，声子在它的导热过程中扮演着重要角色。氮化铝热导率理论上可达320w/〔m·k〕，但由于氮化铝中有杂质和缺陷，导致氮化铝产品的热导率远达不到理论值。氮化铝粉末中杂质元素主要为氧、碳，另外还有少量的金属离子杂质，在晶格中产生各种缺陷形式，这些缺陷对声子的散射会降低热导率。;;在声子—缺陷的散射中，起主要作用的是杂质氧和Al2O3. 由于AlN易于水解和氧化，外表形成一层Al2O3， Al2O3溶入AlN晶格中产生铝空位。 Al2O3→2AlAl+3ON+VAl 此外，AlN与氧的亲和力很强，氧很容易进入氮化铝晶格中，晶格中的氧具有高置换可溶性，容易形成氧缺陷。 AlN晶格中的缺陷与氧的浓度关系： 当【O】0.75% O均匀分布于AlN晶格中，占据着AlN中N的位置，并伴有Al空位。 当【O】≥0.75% Al原子位置发生改变，同时消灭Al空位，并形成一个八面体缺陷。 在更高浓度下，将形成延展缺陷，如含氧层错、反演畴，多形体等。 氧杂质的存在严重影响AlN的导热性，氧缺陷的存在增大了声子的散??面积截面，降低AlN的热导率。 因此，氧杂质的存在严重影响AlN的热导率，是热导率降低的主要因素;氮化铝水解;AlN陶瓷基板材料的制备; 流延成型示意图;AlN粉体的合成;烧结理论;烧结;烧结助剂的选择;烧结助剂对导热率的影响; 烧结AlN陶瓷使用的烧结助剂主要有Y2O3、CaO、Yb2O3、Sm2O3、Li2O3、B2O3、CaF2、YF3、CaC2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。某些烧结助剂还能在相对低温下〔通常为1600~1700 ℃ 〕发挥助烧结作用。找到适宜的低温烧结助剂，实现AlN低温烧结，就可以减少能耗、降低本钱，便于进行连续生产。;烧结工艺;热压烧结 热压烧结是在加热粉体的同时进行加压，利用通电产生的焦耳热和加压造成的塑性变形来促进烧结过程的进行。相对无压烧结，热压烧结的温度要低很多，而且烧结体致密，气孔率低，但其加热、冷却所需时间较长，且只能制备形状不太复杂的样品。热压烧结是目前制备高热导率致密化氮化铝陶瓷的主要工艺。 无压烧结 无压烧结是一种常规的烧结方法，它是指在常压下，通过对制晶加热而烧结的一种方法，这是目前最常用，也是最简单的一种烧结方法。 放电等离子烧结〔SPS〕 放电等离子烧结是20世纪90年代开展起来并成熟的一种烧结技术，它利用脉冲大电流直接施加于模具和样品上，产生体加热使被烧结样品快速升温；同时，脉冲电流引起颗粒间的放电效应，可净化颗粒外表，实现快速烧结，有效抑制颗粒长大。使用SPS技术能够在较低温度下进行烧结，且升温速度快，烧结时间短。;微波烧结 微波烧结是利用在微波电磁场中材料的介电损耗使材料整体加热至烧结温度而实现烧结的技术。微波烧结升温快，时间短，可提高致密化速度，并有效抑制晶粒生长，但需要注意的是保证试样的温度均匀性及防止局部区域发生热断裂。 自蔓延烧结 自蔓延烧结是近年来出现的一种新制备方法，即在超高压氮气下利用自蔓延高温合成反响直接制备AlN陶瓷致密材料。这种工艺不需要外加能源，合成迅速，而且可以制造形状复杂的AlN陶瓷部件，缺点是高温燃烧反响下原料中的Al易熔融而阻碍氮气向毛坯内部渗透，影响了反