中國粉體網(wǎng)訊 隨著信息技術(shù)革命的到來,，集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，電子系統(tǒng)集成度的提高將導(dǎo)致功率密度升高,，以及電子元件和系統(tǒng)整體工作產(chǎn)生的熱量增加,，因此，有效的電子封裝必須解決電子系統(tǒng)的散熱問題,。
在此背景下,，陶瓷基板具備優(yōu)良的散熱性能使得市場對其需求快速爆發(fā)，尤其是氮化鋁陶瓷基板產(chǎn)品,，盡管價格遠高于其它基板,，仍是供不應(yīng)求甚至“一片難求”，這是為什么呢,。
（圖片來源：中瓷電子）
原因很簡單,，小編認為有三點：其一，性能好,，用起來“香”,，物有所值，在某些領(lǐng)域無法替代,，一分錢一分貨的道理大家都懂,。其二，生產(chǎn)過程”歷經(jīng)八十一難”，得之不易,，對原材料要求高,，制品制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)門檻較高,。其三,，市場發(fā)展迅速，產(chǎn)能擴張速度跟不上需求增速,，供貨周期長,，價格自然水漲船高。今天我們就這三點進一步了解氮化鋁陶瓷基板,。
出色的導(dǎo)熱性能
首先,，封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導(dǎo)率，將熱量從芯片 (熱源) 導(dǎo)出,，實現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換,。對于功率半導(dǎo)體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：
(1)熱導(dǎo)率高,，滿足器件散熱需求,；
(2)耐熱性好，滿足功率器件高溫(大于200°C)應(yīng)用需求,；
(3)熱膨脹系數(shù)匹配,，與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配，降低封裝熱應(yīng)力,；
(4)介電常數(shù)小,，高頻特性好，降低器件信號傳輸時間,，提高信號傳輸速率,；
(5)機械強度高，滿足器件封裝與應(yīng)用過程中力學(xué)性能要求,；
(6)耐腐蝕性好,，能夠耐受強酸,、強堿,、沸水、有機溶液等侵蝕,；
(7)結(jié)構(gòu)致密,，滿足電子器件氣密封裝需求,。
氮化鋁性能如何呢？氮化鋁作為陶瓷基板材料其性能如下：
（1）氮化鋁的導(dǎo)熱率較高,，室溫時理論導(dǎo)熱率最高可達320W/(m·K),，是氧化鋁陶瓷的8～10倍,，實際生產(chǎn)的熱導(dǎo)率也可高達200W/(m·K)，有利于LED中熱量散發(fā),，提高LED性能,；
（2）氮化鋁線膨脹系數(shù)較小，理論值為4.6×10-6/K,，與LED常用材料Si,、GaAs的熱膨脹系數(shù)相近，變化規(guī)律也與Si的熱膨脹系數(shù)的規(guī)律相似,。另外，氮化鋁與GaN晶格相匹配,。熱匹配與晶格匹配有利于在大功率LED制備過程中芯片與基板的良好結(jié)合,，這是高性能大功率LED的保障；
（3）氮化鋁陶瓷的能隙寬度為6.2eV,，絕緣性好,，應(yīng)用于大功率LED時不需要絕緣處理，簡化了工藝,；
（4）氮化鋁為纖鋅礦結(jié)構(gòu),，以很強的共價鍵結(jié)合，所以具有高硬度和高強度,，機械性能較好,。另外，氮化鋁具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能,，在空氣氛圍中溫度達1000℃下可以保持穩(wěn)定性,，在真空中溫度高達1400℃時穩(wěn)定性較好，有利于在高溫中燒結(jié),，且耐腐蝕性能滿足后續(xù)工藝要求,。
由以上看來，氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率,、高強度,、高電阻率、密度小,、低介電常數(shù),、無毒、以及與Si 相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能,，是最具發(fā)展前途的一種陶瓷基板材料,。
（圖片來源：中電科43所）
復(fù)雜繁瑣的生產(chǎn)過程
氮化鋁陶瓷基板的生產(chǎn)過程較為復(fù)雜繁瑣，其主要體現(xiàn)在兩個方面,，高端氮化鋁粉體的制備與基板的制備,。我們分別來了解下這兩方面,。
1、氮化鋁粉體
幾乎所有的陶瓷制品的質(zhì)量都極大受到原材料品質(zhì)的影響,，對氮化鋁陶瓷基板來說更是如此,。
（1）粉體制備方法
目前制備氮化鋁粉體的方法主要有Al2O3粉碳熱還原法、Al粉直接氮化法,、自蔓延高溫合成法,、化學(xué)氣相沉積法、等離子體法等,。AlN粉體作為一種性能優(yōu)異的粉體原料,，國內(nèi)外研究者通過不斷的科技創(chuàng)新來解決現(xiàn)有工藝存在的技術(shù)問題，同時也在不斷探索新的,、更高效的制備技術(shù),。目前最主要的工藝仍是碳熱還原法和直接氮化法，這兩種工藝具有技術(shù)成熟,、設(shè)備簡單,、得到產(chǎn)品質(zhì)量好等特點，已在工業(yè)中得到大規(guī)模應(yīng)用,。
（來源：蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究進展）
（2）影響粉體性能因素較多
氮化鋁陶瓷產(chǎn)品的性能直接取決于原料粉體的特性,，尤其是氮化鋁最有價值的特性——導(dǎo)熱性。影響氮化鋁陶瓷導(dǎo)熱性的因素主要有：氧及其它雜質(zhì)的含量,、燒結(jié)的致密度,、顯微結(jié)構(gòu)等。而這些因素體現(xiàn)在氮化鋁粉體上則為：氮化鋁的純度,、顆粒的粒徑,、顆粒的形狀等參數(shù)上。
（3）易水解,，難存儲運輸,，需對粉體進一步改性處理
相比氮化鋁的其它優(yōu)異性能，氮化鋁粉體有個大問題就是容易水解,。它在潮濕的環(huán)境極易與水中羥基形成氫氧化鋁,，在AlN粉體表面形成氧化鋁層，氧化鋁晶格溶入大量的氧,，降低其熱導(dǎo)率,，而且也改變其物化性能，給AlN粉體的應(yīng)用帶來困難,。目前的應(yīng)對方法是,，借助化學(xué)鍵或物理吸附作用在AlN顆粒表面涂覆一種物質(zhì)，使之與水隔離,，從而避免其水解反應(yīng)的發(fā)生,。抑制水解處理的方法主要有：表面化學(xué)改性和表面物理包覆,。
（來源：潮州三環(huán)）
2、基板制備
（1）陶瓷基片的成型
流延成型制備氮化鋁陶瓷基片的主要工藝,，將氮化鋁粉料,、燒結(jié)助劑、粘結(jié)劑,、溶劑混合均勻制成漿料,，通過流延制成坯片，采用組合模沖成標準片,，然后用程控沖床沖成通孔,，用絲網(wǎng)印刷印制金屬圖形，將每一個具有功能圖形的生坯片疊加,，層壓成多層陶瓷生坯片,，在氮氣中約700℃排除粘結(jié)劑，然后在1800℃氮氣中進行共燒,，電鍍后即形成多層氮化鋁陶瓷。此外,，氮化鋁基板的成型方式還有注射成型,、流延等靜壓成型等。
（2）關(guān)鍵步驟-燒結(jié)
燒結(jié)可以說是氮化鋁基板制備中至關(guān)重要的一步,，主要牽扯到燒結(jié)方式的選擇,、燒結(jié)溫度的控制、燒結(jié)助劑的添加,、燒結(jié)氣氛的控制等,。
目前AlN基片較常用的燒結(jié)工藝一般有5種，即熱壓燒結(jié),、無壓燒結(jié),、放電等離子燒結(jié)(SPS)、微波燒結(jié)和自蔓延燒結(jié),。AlN陶瓷基片一般采用無壓燒結(jié),，該燒結(jié)方法是一種最普通的燒結(jié)，雖然工藝簡單,、成本較低,，但燒結(jié)溫度一般偏高，在不添加燒結(jié)助劑的情況下,，一般無法制備高性能陶瓷基片,。
在燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度的均勻性深刻影響著AlN陶瓷,。燒結(jié)溫度均勻性的研究也為大批量生產(chǎn),、降低生產(chǎn)成本提供了保障,，有利于實現(xiàn)AlN陶瓷基片產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)。
（圖片來源：正天新材）
對于陶瓷致密燒結(jié),，添加助燒劑無疑是最為經(jīng)濟,、有效的方法。AlN陶瓷基板可選用的燒結(jié)助劑有CaO,、Li2O,、B2O3、Y2O3,、CaF2,、CaC2以及CeO2等。這些材料在燒結(jié)過程發(fā)揮著雙重作用,，首先與表面的Al2O3結(jié)合生成液相鋁酸鹽,，在粘性流動作用下，加速傳質(zhì),，晶粒周圍被液相填充,，原有的粉料相互接觸角度得以調(diào)整，填實或者排出部分氣孔,，促進燒結(jié),。同時助燒劑可與氧反應(yīng)，降低晶格氧含量,。
在AlN陶瓷的燒結(jié)工藝中,，燒結(jié)氣氛的選擇也十分關(guān)鍵的。一般的AlN陶瓷燒結(jié)氣氛有3種：還原型氣氛,、弱還原型氣氛和中性氣氛,。還原性氣氛一般為CO，弱還原性氣氛一般為H2,，中性氣氛一般為N2,。在還原氣氛中，AlN陶瓷的燒結(jié)時間及保溫時間不宜過長,，燒結(jié)溫度不宜過高,，以免AlN被還原。在中性氣氛中不會出現(xiàn)上述情況,，所以一般選擇在氮氣中燒結(jié),，這樣可以獲得性能更好的AlN陶瓷。
市場狀況
在粉體方面,，目前掌握高性能氮化鋁粉生產(chǎn)技術(shù)的廠家并不多,，主要分布在日本、德國和美國,。日本的德山化工生產(chǎn)的氮化鋁粉被全球公認為質(zhì)量最好,、性能最穩(wěn)定,，公司控制著高純氮化鋁全球市場75%的份額。日本東洋鋁公司的氮化鋁粉性能較好,，在日本和中國受到不少客戶的青睞,。
在國內(nèi)，開展AlN粉研究,、生產(chǎn)的廠家也有一些,，主要有中電科第43所、國瓷材料,、廈門鉅瓷,、寧夏艾森達新材料科技有限公司、寧夏時星科技有限公司,、煙臺同立高科新材料股份有限公司,、遼寧德盛特種陶瓷制造有限公司、山東鵬程陶瓷新材料科技有限公司,、三河燕郊新宇高新技術(shù)陶瓷材料有限公司,、福建施諾瑞新材料有限公司、晉江華清新材料科技有限公司等,。
但是由于國內(nèi)氮化鋁粉末行業(yè)發(fā)展時間晚,，產(chǎn)業(yè)化時間短，產(chǎn)量很低,，粉體性能與國外相比也存在較大差距，只能滿足國內(nèi)部分市場的需求,。
而在陶瓷基片方面,，我國氮化鋁陶瓷基片生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模較小，研發(fā)投入資金有限,，技術(shù)人員較少且經(jīng)驗不足,，導(dǎo)致我國氮化鋁陶瓷基片行業(yè)整體水平較低，產(chǎn)品缺乏競爭力,，以中低端產(chǎn)品為主,，高端氮化鋁基片同樣依賴于進口。日本有多家企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)氮化鋁陶瓷基片,，是全球最大的氮化鋁陶瓷基片生產(chǎn)國,，主要研發(fā)生產(chǎn)氮化鋁陶瓷基片產(chǎn)品的公司包括如京瓷、日本特殊陶業(yè),、住友金屬工業(yè),、富士通、東芝,、日本電氣等,。由于氮化鋁陶瓷基片的特殊技術(shù)要求,，加上設(shè)備投資大、制造工藝復(fù)雜,，高端氮化鋁陶瓷基片核心制造技術(shù)被日本等國家的幾個大公司掌控,。
目前我國在加力追趕階段，國內(nèi)已有福建華清電子材料科技有限公司,、中電科四十三所,、三環(huán)集團、河北中瓷,、合肥圣達電子,、浙江正天新材料、深圳市佳日豐泰電子,、寧夏艾森達,、寧夏時星、福建臻璟,、江蘇富樂德,、南京中江等多個企業(yè)實現(xiàn)了氮化鋁陶瓷基板的國產(chǎn)化，隨著中國下游電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,，未來氮化鋁基板的市場需求也會隨之增長,；此外，隨著我國氮化鋁基板生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升,，氮化鋁基板產(chǎn)品也將不斷升級,，將會進一步推動其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，需求規(guī)模也會得到擴張,。整體來看,，未來中國氮化鋁基板行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊。
參考來源：
[1]程 浩,，陳明祥等.電子封裝陶瓷基板
[2]蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究進展
[3]劉戰(zhàn)偉等.氮化鋁粉末的制備方法及影響因素
[4]李友芬等.AlN陶瓷燒結(jié)技術(shù)研究進展
[5]張云等.高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷燒結(jié)技術(shù)研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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