氮化铝基板制备综述课件

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。氮化铝陶瓷性能表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22002450，理论密度为3.26g/cm。AlN具有优良的综合性能，主要性能见表2 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 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/（mk），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。氮化铝陶瓷的基础研究 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。声子散色对热导率的影响关系式为：AlN热导率与温度的关系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。Al2O32AlAl+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。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陶瓷的基础研究氮化铝水解 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 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10m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。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；Al2O32Al+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。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。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16001700 ）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。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。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年代发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，可净化颗粒表面，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应直接制备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，缺点是高温燃烧反应下原料中的Al易熔融而阻碍氮气向毛坯内部渗透，影响了反应转化率，难以得到致密度高的AlN陶瓷。注：烧结温度，烧结气氛，冷却速度以及后序处理措施（如退火热处理）等AlN烧结的具体工艺方法对热导率都有影响。高的烧成温度，长的保温时间和慢的降温速度将导致高的热导率。前4种工艺之间的比较见表5 AlN陶瓷基片制备流程图基板制备的影响因素 流延法制备陶瓷基板对工艺要求非常严格，要制得性能良好的AlN基板，必须对流程中得每一个工序做到最优化。影响基板性能的因素有浆料粘度，排胶和预烧结等。影响浆料粘度的因素：研磨时间、有机混合溶剂掺量、分散剂掺量及粘结剂、塑性剂。排胶技术的影响：由于在基板生坯的流延制备过程中加入了大量的有机溶剂、粘结剂和润滑剂等有机物，不同有机物挥发的及时温度和挥发速率各不相同，而且有机物在还原气氛下排胶和预烧结过程中会在AlN颗粒表面产生大量的残余碳，使素坯成黑色，从而影响基板的烧结行为，使基板不能致密烧结，同时影响基板的外观，降低基板的热导率。预烧结的影响：经流延法制得的基片素坯，由于内含大量的有机物，其内部的孔隙率较大，强度较低，若直接进行烧结，会导致基板产生较强的收缩，基板翘曲，而且在烧结时还会导致坯片的相互粘结，影响基板的成品率和热导率。为了防止以上缺陷的产生，在1100 的氮气气氛炉中预烧后在进行烧结，可以提高素坯强度，减少孔隙率，得到平整度高、性能良好的AlN基板材料。基板金属化 为了封装结构的密封，元器件搭载及输入、输出端子的连接等目的，氮化铝陶瓷基板表面及内部均需金属化。AlN陶瓷基片金属化的方法很多，可概括为：厚膜金属化、薄膜金属化（低温金属化、高温金属化、）、直接键合铜金属化和化学镀金属化（DBC）等。氮化铝金属化技术比较AlN金属化工艺流程图 多层氮化铝陶瓷工艺流程氮化铝陶瓷的应用用于MCM的氮化铝陶瓷基板功率放大器所用氮化铝陶瓷封装氮化铝蝶形封装 激光极管的载体和组装结构 激光二级管载体之结构 氮化铝LED封装 用于高温SiC器件的氮化铝封装THE END