氮化鋁陶瓷的研究和應(yīng)用進(jìn)展

胡友靜，燕曉艷

山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院東營(yíng)分院，山東東營(yíng) 257091

氮化鋁（AlN）是一種綜合性能優(yōu)良新型陶瓷材料，具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，可靠的電絕緣性，低的介電常數(shù)和介電損耗，無(wú)毒以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特性，被認(rèn)為是新一代高集程度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛重視.在理論上，AlN的熱導(dǎo)率為320W/(m)，工業(yè)上實(shí)際制備的多晶氮化鋁的熱導(dǎo)率也可達(dá)100～250 W/(m)，該數(shù)值是傳統(tǒng)基片材料氧化鋁熱導(dǎo)率的5倍～10倍,接近于氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率，但由于氧化鈹有劇毒,在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸被停止使用。與其它幾種陶瓷材料相比較，氮化鋁陶瓷綜合性能優(yōu)良，非常適用于半導(dǎo)體基片和結(jié)構(gòu)封裝材料，在電子工業(yè)中的應(yīng)用潛力非常巨大。

1 AlN陶瓷的直接應(yīng)用

1.1 AlN作為基板材料

高電阻率、高熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)是集成電路對(duì)封裝用基片的最基本要求。封裝用基片還應(yīng)與硅片具有良好的熱匹配、易成型、高表面平整度、易金屬化、易加工、低成本等特點(diǎn)和一定的力學(xué)性能。大多數(shù)陶瓷是離子鍵或共價(jià)鍵極強(qiáng)的材料，具有優(yōu)異的綜合性能，是電子封裝中常用的基片材料，具有較高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，同時(shí)線膨脹系數(shù)與電子元器件非常相近，化學(xué)性能非常穩(wěn)定且熱導(dǎo)率高。長(zhǎng)期以來，絕大多數(shù)大功率混合集成電路的基板材料一直沿用A1203和BeO陶瓷，但A1203基板的熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)和Si不太匹配；BeO雖然具有優(yōu)良的綜合性能，但其較高的生產(chǎn)成本和劇毒的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用推廣。因此，從性能、成本和環(huán)保等因素考慮，二者已不能完全滿足現(xiàn)代電子功率器件發(fā)展的需要。

1.2 AlN作為電子膜材料

電子薄膜材料是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的基礎(chǔ)，因而對(duì)各種新型電子薄膜材料的研究成為眾多科研工作者的關(guān)注熱點(diǎn)。AlN于19世紀(jì)60年代被人們發(fā)現(xiàn)，可作為電子薄膜材料，并具有廣泛的應(yīng)用。近年來，以ⅢA族氮化物為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料和電子器件發(fā)展迅猛，被稱為繼以Si為代表的第一代半導(dǎo)體和以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體之后的第三代半導(dǎo)體。A1N作為典型的ⅢA族氮化物得到了越來越多國(guó)內(nèi)外科研人員的重視。目前，各國(guó)競(jìng)相投入大量的人力、物力對(duì)AlN薄膜進(jìn)行研究工作。由于A1N有諸多優(yōu)異性能，帶隙寬、極化強(qiáng)，禁帶寬度為6.2eV，使其在機(jī)械、微電子、光學(xué)，以及電子元器件、聲表面波器件(SAW)制造、高頻寬帶通信和功率半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。AlN的多種優(yōu)異性能決定了其多方面應(yīng)用，作為壓電薄膜，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用；作為電子器件和集成電路的封裝、介質(zhì)隔離和絕緣材料，有著重要的應(yīng)用前景；作為藍(lán)光、紫外發(fā)光材料也是目前的研究熱點(diǎn)[4]。

2 AlN陶瓷的復(fù)合改性

2.1 AlN作為性能改進(jìn)相

當(dāng)前為了改善陶瓷材料脆性的弱點(diǎn)，開展了許多研究丁作。其中通過添加第二相、第三相顆粒形成復(fù)相陶瓷也成為改善陶瓷材料韌性的蓖嬰手段，此方法與添加晶須、纖維等方法相比，具有價(jià)格低廉、容易制備等特點(diǎn)。碳化硅材料由丁其高硬度，高溫強(qiáng)度，耐磨，耐腐蝕，密度比較小等優(yōu)良性能，在機(jī)械、化工、能源和軍工方面已經(jīng)獲得大量應(yīng)用。但是由于其室溫強(qiáng)度低以及韌性不足而使其應(yīng)用受到一定的限制。為提高碳化硅陶瓷材料的強(qiáng)度與韌性，借鑒金屬?gòu)浬?qiáng)化理論采用第二相粒子的添加方法已經(jīng)取得一些成績(jī)。例如SiC/TiC、Sic/A1203和SiC/TlB等。

2.2 AlN作為基體

氮化鋁(AlN)具有高的熱導(dǎo)率(理論熱導(dǎo)率為320 W/(m·K)，實(shí)際值可達(dá)260 W/(m·K)，為氧化鋁陶瓷的10倍～15倍)、低的相對(duì)介電常數(shù)(約為8.8)、可靠的電絕緣性(電阻率＞1016Q·m-1)、耐高溫、耐腐蝕、無(wú)毒、良好的力學(xué)性能以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)(20℃～500℃，4.6×10-6K-1)等一系列優(yōu)良性能，在許多高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，這其中很多情況下要求AlN為異形件和微型件，但是傳統(tǒng)的模壓和等靜壓工藝無(wú)法制備出復(fù)雜形狀的陶瓷零部件，加上AlN陶瓷材料所固有的韌性低、脆性大、難于加工的缺點(diǎn)，使得用傳統(tǒng)機(jī)械加工的方法很難制備出復(fù)雜形狀的AlN陶瓷零部件。為了充分發(fā)揮AlN的性能優(yōu)勢(shì)，拓寬它的應(yīng)用范圍，解決好AlN陶瓷的復(fù)雜形狀成形技術(shù)問題是其中非常關(guān)鍵的一環(huán)。

3 AlN陶瓷的制備工藝

與其它陶瓷材料制備工藝相同,氮化鋁陶瓷的制備包括粉體的合成、成形、燒結(jié)3個(gè)工藝過程。氮化鋁的導(dǎo)熱性能受雜質(zhì)含量和微觀結(jié)構(gòu)影響嚴(yán)重，而雜質(zhì)含量和微觀結(jié)構(gòu)與制備工藝密不可分。為此，作者對(duì)氮化鋁陶瓷的制備的各個(gè)工藝過程的研究狀況分別進(jìn)行總結(jié)，指出目前低成本的氮化鋁粉末制備方法以及氮化鋁陶瓷的復(fù)雜形狀成形技術(shù)是非常有價(jià)值的研究方向.

3.1 AlN的粉體制備

AlN粉末是制備陶瓷的原料，它的純度、粒度、氧含量及其它雜質(zhì)含量對(duì)制備出的氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率以及后續(xù)燒結(jié)，成形工藝有重要影響。一般認(rèn)為，要獲得性能優(yōu)良的AlN陶瓷材料必須首先制備出高純度、細(xì)粒度、窄粒度分布，性能穩(wěn)定的AlN粉末，目前氮化鋁粉末的合成方法主要有4種：鋁粉直接氮化法、碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、化學(xué)氣相沉積法。

3.2 AlN的成型工藝

氮化鋁粉末的成形工藝有多種，傳統(tǒng)的成形工藝諸如模壓，熱壓，等靜壓等均適用。由于氮化鋁粉末的親水性強(qiáng)，為了減少氮化鋁的氧化，成形過程中應(yīng)盡量避免與水接觸。另外，熱壓，等靜壓雖然適用于制備高性能的塊體氮化鋁瓷材料，但成本高、生產(chǎn)效率低，無(wú)法滿足電子工業(yè)對(duì)氮化鋁陶瓷基片用量日益增加的需求。為了解決這一問題，近年來人們研究采用流延法成形氮化鋁陶瓷基片。流延法也已成為電子工業(yè)用氮化鋁陶瓷基本的主要成形工藝。

3.3 AlN的燒結(jié)機(jī)制

氮化鋁屬于共價(jià)化合物，熔點(diǎn)高，原子自擴(kuò)散系數(shù)小，因此，純凈的AlN粉末在通常的燒結(jié)溫度下很難燒結(jié)致密，而致密度不高的材料很難具有較高的熱導(dǎo)率。除了致密度外，另一個(gè)影響AlN陶瓷熱導(dǎo)率的因素是雜質(zhì)含量，尤其是氧含量。由于AlN對(duì)氧有強(qiáng)烈的親合力，部分氧會(huì)固溶入AlN的點(diǎn)陣中，從而形成鋁空位。產(chǎn)生的鋁空位散射聲子，降低了聲子的平均自由程，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。因此，要制備高熱導(dǎo)率的氮化鋁陶瓷，在燒結(jié)工藝中必須解決2個(gè)問題：第一是要提高材料的致密度；第二是在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，要盡量避免氧原子溶入氮化鋁的晶格中。

4 結(jié)論

由于具有優(yōu)良的熱、電、力學(xué)性能，氮化鋁陶瓷引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)所用材料的性能提出了更高的要求，氮化鋁陶瓷也必將在許多領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。為了促進(jìn)氮化鋁研究和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，必須做好下面2個(gè)研究工作：

1）研究低成本的粉末制備工藝和方法；

2）研究復(fù)雜形狀的氮化鋁陶瓷零部件的凈近成形技術(shù)如注射成形技術(shù)等。