中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著信息技術(shù)革命的到來(lái),，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(wèn)題,。
在此背景下，陶瓷基板具備優(yōu)良的散熱性能使得市場(chǎng)對(duì)其需求快速爆發(fā),，尤其是氮化鋁陶瓷基板產(chǎn)品,，盡管價(jià)格遠(yuǎn)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(lái)源：中瓷電子）
原因很簡(jiǎn)單，小編認(rèn)為有三點(diǎn)：其一,，性能好,，用起來(lái)“香”，物有所值,，在某些領(lǐng)域無(wú)法替代,，一分錢一分貨的道理大家都懂。其二,，生產(chǎn)過(guò)程”歷經(jīng)八十一難”,，得之不易,，對(duì)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(chǎng)發(fā)展迅速,，產(chǎn)能擴(kuò)張速度跟不上需求增速，供貨周期長(zhǎng),，價(jià)格自然水漲船高,。今天我們就這三點(diǎn)進(jìn)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(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換,。對(duì)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(hào)傳輸時(shí)間，提高信號(hào)傳輸速率,；
(5)機(jī)械強(qiáng)度高,，滿足器件封裝與應(yīng)用過(guò)程中力學(xué)性能要求；
(6)耐腐蝕性好,，能夠耐受強(qiáng)酸,、強(qiáng)堿、沸水,、有機(jī)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(shí)理論導(dǎo)熱率最高可達(dá)320W/(m·K),，是氧化鋁陶瓷的8～10倍,，實(shí)際生產(chǎn)的熱導(dǎo)率也可高達(dá)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(guò)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(shí)不需要絕緣處理,，簡(jiǎn)化了工藝,；
（4）氮化鋁為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，以很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合,，所以具有高硬度和高強(qiáng)度,，機(jī)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(dá)1000℃下可以保持穩(wěn)定性，在真空中溫度高達(dá)1400℃時(shí)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(lái),，氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率,、高強(qiáng)度、高電阻率,、密度小,、低介電常數(shù)、無(wú)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(lái)源：中電科43所）
復(fù)雜繁瑣的生產(chǎn)過(guò)程
氮化鋁陶瓷基板的生產(chǎn)過(guò)程較為復(fù)雜繁瑣,，其主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,，高端氮化鋁粉體的制備與基板的制備。我們分別來(lái)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(duì)氮化鋁陶瓷基板來(lái)說(shuō)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(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)不斷的科技創(chuàng)新來(lái)解決現(xiàn)有工藝存在的技術(shù)問(wèn)題,，同時(shí)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(jiǎn)單,、得到產(chǎn)品質(zhì)量好等特點(diǎn),，已在工業(yè)中得到大規(guī)模應(yīng)用。
（來(lái)源：蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究進(jìn)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(jià)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(chǔ)運(yùn)輸,，需對(duì)粉體進(jìn)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(gè)大問(wèn)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(lái)困難。目前的應(yīng)對(duì)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(lái)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(guò)流延制成坯片,，采用組合模沖成標(biāo)準(zhǔn)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(gè)具有功能圖形的生坯片疊加，層壓成多層陶瓷生坯片,，在氮?dú)庵屑s700℃排除粘結(jié)劑,，然后在1800℃氮?dú)庵羞M(jìn)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(shuō)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(wú)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(wú)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(jiǎn)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(wú)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(shí)現(xiàn)AlN陶瓷基片產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn),。
（圖片來(lái)源：正天新材）
對(duì)于陶瓷致密燒結(jié),，添加助燒劑無(wú)疑是最為經(jīng)濟(jì)、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(guò)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(dòng)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(shí)或者排出部分氣孔,，促進(jìn)燒結(jié)。同時(shí)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(shí)間及保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，燒結(jié)溫度不宜過(guò)高,，以免AlN被還原,。在中性氣氛中不會(huì)出現(xiàn)上述情況，所以一般選擇在氮?dú)庵袩Y(jié),，這樣可以獲得性能更好的AlN陶瓷,。
市場(chǎng)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(guó)和美國(guó)。日本的德山化工生產(chǎn)的氮化鋁粉被全球公認(rèn)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(chǎng)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(guó)受到不少客戶的青睞,。
在國(guó)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(guó)瓷材料、廈門鉅瓷,、寧夏艾森達(dá)新材料科技有限公司,、寧夏時(shí)星科技有限公司、煙臺(tái)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(guó)內(nèi)氮化鋁粉末行業(yè)發(fā)展時(shí)間晚,，產(chǎn)業(yè)化時(shí)間短,，產(chǎn)量很低，粉體性能與國(guó)外相比也存在較大差距,，只能滿足國(guó)內(nèi)部分市場(chǎng)的需求,。
而在陶瓷基片方面，我國(guó)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(yàn)不足，導(dǎo)致我國(guó)氮化鋁陶瓷基片行業(yè)整體水平較低,，產(chǎn)品缺乏競(jìng)爭(zhēng)力,，以中低端產(chǎn)品為主，高端氮化鋁基片同樣依賴于進(jìn)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(guó)，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(guó)家的幾個(gè)大公司掌控。
目前我國(guó)在加力追趕階段,，國(guó)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(tuán),、河北中瓷,、合肥圣達(dá)電子、浙江正天新材料,、深圳市佳日豐泰電子,、寧夏艾森達(dá)、寧夏時(shí)星,、福建臻璟,、江蘇富樂(lè)德、南京中江等多個(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了氮化鋁陶瓷基板的國(guó)產(chǎn)化,，隨著中國(guó)下游電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,，未來(lái)氮化鋁基板的市場(chǎng)需求也會(huì)隨之增長(zhǎng)；此外,，隨著我國(guó)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(jí)，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,，需求規(guī)模也會(huì)得到擴(kuò)張,。整體來(lái)看，未來(lái)中國(guó)氮化鋁基板行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊,。
參考來(lái)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(jìn)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(jìn)展
[5]張?jiān)频?高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷燒結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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