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，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。各個工序的精益求精，因此制備過程比較復(fù)雜，工藝要求較高，自然成本也會高。

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，這一系列困難帶來的后果就是高品質(zhì)氮化鋁粉體價格的走高。

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，無法滿足電子工業(yè)對氮化鋁陶瓷基片用量日益增加的需求。為了解決這一問題，近年來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，要不就是成型過程中應(yīng)盡量避免與水接觸，也就是說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，因此會對環(huán)境和人體造成不良影響，存在環(huán)境污染問題；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，又要簡化工藝、降低成本，在AlN陶瓷的燒結(jié)過程中關(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)和加壓成型同時進(jìn)行，可得到晶粒細(xì)小、相對密度高和力學(xué)性能良好的陶瓷。

②無壓燒結(jié)：燒結(jié)工藝簡單，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)溫度和延長保溫時間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度，但強(qiáng)度相對較低。

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)時間及保溫時間不宜過長，且其燒結(jié)溫度不能過高，以免AlN被還原。而在中性氣氛中不會出現(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間和精力進(jìn)行研發(fā)，因此氮化鋁陶瓷基板價格貴是有道理的。

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嚴(yán)格，成本高；要么制作工藝復(fù)雜；要么對設(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程著實(shí)不容易。金瑞欣主營氧化鋁陶瓷基板、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。