氮化铝基板制备.

烧结助剂的选择
AlN的烧结助剂一般是碱金属氧化物和碱土金属氧化物， 烧结助剂主要有两方面的作用：一方面形成低熔点物相， 实现液相烧结，降低烧结温度，促进坯体致密化；另一方 面，高热导率是AlN基板的重要性能，而实现AlN基板中由 于存在氧杂质等各种缺陷，热导率低于及理论值，加入烧 结助剂可以与氧反应，使晶格完整化，进而提高热导率。
表1
4种陶瓷封装材料的性能对比
AlN的典型性能
AlN晶体的晶格常数为a=0.311nm，c=0.498nm，是六方晶系纤锌矿 型共价键化合物，其结构如图1所示。AlN晶体呈现白色或灰色，常压下 分解温度为2200~2450℃，理论密度为3.26g/cm³ 。AlN具有优良的综合 性能，主要性能见表2
声子散色对热导率λ的影响关系式为：
AlN热导率与温度的关系 从式中可以看出，对于给定体系，声子平均自由程（l）是影响热导率的 关键因素，声子的平均自由程越长，热导率越高。在热传输过程中，晶体中 的缺陷、晶界、空洞、电子以及声子自身都会产生声子散射，从而降低声子 的平均自由程，进一步影响热导率。
氮化铝陶瓷的基础研究
陶瓷基板的成型主要有压膜、干压和流延 成型3种方法。其中以流延成型生产效率最高， 且易于实现生产的连续化和自动化，改善产品质 量，降低成本，实现大批量生产，生产的基板厚 度可以薄至10µm一下，厚至1mm以上。流延成 型是AlN陶瓷基板向实用化转化的重要一步，有 着重要的应用前景。
流延成型示意图
AlN粉体的合成
AlN粉体的合成方法很多，目前研究较多 的有5种方法：
铝粉直接氮化法 Al2O3碳还原法 化学气相沉淀法
溶胶—凝胶法
自蔓延高温合成法
烧结理论
氮化铝自扩散系数小，烧结非常困难。通过以下三种途 径可以获得致密的高性能氮化铝陶瓷：（1）使用超细粉； （2）热压或等静压；（3）引入烧结助剂。其中，第一种途 径受粉体性能影响较大，而且超细粉会给流延成型带来困难； 第二种途径适用于高性能块体氮化铝材料的制备，对氮化铝 流延基片与金属浆料共烧的多中陶瓷技术有很大的局限性， 不能用于电子封装；第三种途径工艺上易于实现，且适于流 延成型和无压烧结，有可能获得低成本高性能的氮化铝陶瓷 材料。
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，表面形成一层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射 面积截面，降低AlN的热导率。
图1
AlN的晶体结构图
氮化铝的物理化学性质
表2 AlN的主要性能
氮化铝陶瓷的基础研究
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。
氮化铝陶瓷性能
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， 但其较高的生产成本和剧毒的缺点限制了它的应用推广。 因此从性能、成本和环保等因素考虑，二者已不能满足现 代电子功率器件和发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。
烧结工艺
目前AlN较常用的烧结工艺一般有5种，即热压 烧结、无压烧结、放电等离子烧结（SPS）、微波 烧结和自蔓延烧结。
烧结助剂对导热率的影响
Y3Al5O12(3:5)
↓
YAlO4(1:1)
↓
Y4Al2O9(4:2)
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。找到合适的低温烧结助剂， 实现AlN低温烧结，就可以减少能耗、降低成 本，便于进行连续生产。
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
氮化铝与水有着很高的反应活性，与水发生反应生 成Al(OH)3，反应机理如下：
向氮化铝中加入有机羧酸，有机羧酸包裹在氮化 铝颗粒表面，阻碍了水分子向氮化铝粉体表面侵蚀， 提高氮化铝的抗水解能力。
AlN陶瓷基板材料的制备
基板制备工艺的过程
烧结
由于AlN粉体对氧的亲合力很强，部分氧会固溶于AlN点阵中，从而 形成铝空位；
Al2O3→2Al+3ON+VA
产生的铝空位散射声子，会降低声子的平均自由程，从而导致导热 率下降。因此，制约AlN陶瓷导热率的主要因素是氧杂质及晶界相的含量。 既要达到致密烧结、降低杂质含量、减少晶界相的含量，又要简化工艺、 降低成本，在AlN陶瓷的烧结过程中关键要做到：—是选择适当的烧结助 剂；二是选择适当的烧结工艺。