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【原創(chuàng)】為何氮化鋁基板比其它基板貴,,且一片難求,?


來源:中國粉體網   山川

[導讀]  氮化鋁陶瓷基板價格遠高于其它基板,,仍是供不應求甚至“一片難求”,這是為什么呢,。

中國粉體網訊  隨著信息技術革命的到來,,集成電路產業(yè)飛速發(fā)展,電子系統(tǒng)集成度的提高將導致功率密度升高,,以及電子元件和系統(tǒng)整體工作產生的熱量增加,,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品,,盡管價格遠高于其它基板,,仍是供不應求甚至“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,在某些領域無法替代,,一分錢一分貨的道理大家都懂,。其二,生產過程”歷經八十一難”,,得之不易,,對原材料要求高,制品制備工藝復雜,,生產門檻較高,。其三,市場發(fā)展迅速,,產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,。


出色的導熱性能


首先,,封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導率,將熱量從芯片 (熱源) 導出,,實現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換,。對于功率半導體器件而言,封裝基板必須滿足以下要求:


(1)熱導率高,,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,滿足器件封裝與應用過程中力學性能要求,;


(6)耐腐蝕性好,,能夠耐受強酸、強堿,、沸水,、有機溶液等侵蝕;


(7)結構致密,,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)氮化鋁的導熱率較高,,室溫時理論導熱率最高可達320W/(m·K),,是氧化鋁陶瓷的8~10倍,實際生產的熱導率也可高達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)氮化鋁為纖鋅礦結構,,以很強的共價鍵結合,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,,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)


復雜繁瑣的生產過程


氮化鋁陶瓷基板的生產過程較為復雜繁瑣,,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


幾乎所有的陶瓷制品的質量都極大受到原材料品質的影響,,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)有工藝存在的技術問題,,同時也在不斷探索新的,、更高效的制備技術,。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成熟,、設備簡單,、得到產品質量好等特點,,已在工業(yè)中得到大規(guī)模應用。



(來源:蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術的研究進展)


(2)影響粉體性能因素較多


氮化鋁陶瓷產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——導熱性。影響氮化鋁陶瓷導熱性的因素主要有:氧及其它雜質的含量,、燒結的致密度,、顯微結構等。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,,降低其熱導率,而且也改變其物化性能,,給AlN粉體的應用帶來困難,。目前的應對方法是,借助化學鍵或物理吸附作用在AlN顆粒表面涂覆一種物質,,使之與水隔離,,從而避免其水解反應的發(fā)生。抑制水解處理的方法主要有:表面化學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,、燒結助劑,、粘結劑、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)關鍵步驟-燒結


燒結可以說是氮化鋁基板制備中至關重要的一步,,主要牽扯到燒結方式的選擇,、燒結溫度的控制、燒結助劑的添加,、燒結氣氛的控制等,。


目前AlN基片較常用的燒結工藝一般有5種,即熱壓燒結,、無壓燒結,、放電等離子燒結(SPS)、微波燒結和自蔓延燒結,。AlN陶瓷基片一般采用無壓燒結,,該燒結方法是一種最普通的燒結,雖然工藝簡單,、成本較低,,但燒結溫度一般偏高,在不添加燒結助劑的情況下,,一般無法制備高性能陶瓷基片,。


在燒結爐中,燒結溫度的均勻性深刻影響著AlN陶瓷,。燒結溫度均勻性的研究也為大批量生產、降低生產成本提供了保障,,有利于實現(xiàn)AlN陶瓷基片產品的商業(yè)化生產,。



(圖片來源:正天新材)


對于陶瓷致密燒結,添加助燒劑無疑是最為經濟,、有效的方法,。AlN陶瓷基板可選用的燒結助劑有CaO、Li2O、B2O3,、Y2O3,、CaF2、CaC2以及CeO2等,。這些材料在燒結過程發(fā)揮著雙重作用,首先與表面的Al2O3結合生成液相鋁酸鹽,,在粘性流動作用下,,加速傳質,晶粒周圍被液相填充,,原有的粉料相互接觸角度得以調整,填實或者排出部分氣孔,,促進燒結。同時助燒劑可與氧反應,,降低晶格氧含量,。


在AlN陶瓷的燒結工藝中,燒結氣氛的選擇也十分關鍵的,。一般的AlN陶瓷燒結氣氛有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陶瓷的燒結時間及保溫時間不宜過長,,燒結溫度不宜過高,,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,,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技術的廠家并不多,,主要分布在日本、德國和美國,。日本的德山化工生產的氮化鋁粉被全球公認為質量最好,、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,開展AlN粉研究,、生產的廠家也有一些,,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,。


但是由于國內氮化鋁粉末行業(yè)發(fā)展時間晚,,產業(yè)化時間短,產量很低,,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企業(yè)規(guī)模較小,,研發(fā)投入資金有限,技術人員較少且經驗不足,,導致我國氮化鋁陶瓷基片行業(yè)整體水平較低,,產品缺乏競爭力,以中低端產品為主,,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)和生產氮化鋁陶瓷基片,是全球最大的氮化鋁陶瓷基片生產國,,主要研發(fā)生產氮化鋁陶瓷基片產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要求,,加上設備投資大,、制造工藝復雜,高端氮化鋁陶瓷基片核心制造技術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化,,隨著中國下游電子產業(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技術的不斷提升,氮化鋁基板產品也將不斷升級,,將會進一步推動其應用領域的拓展,,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陶瓷燒結技術研究進展

[5]張云等.高導熱氮化鋁陶瓷燒結技術研究進展


(中國粉體網編輯整理/山川)


注:圖片非商業(yè)用途,,存在侵權告知刪除

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作者:山川

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