高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷燒結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展

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摘? 要：AlN陶瓷具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低且與硅相匹配、絕緣性能好、環(huán)保無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前最有希望的新一代高導(dǎo)熱電子基板和封裝材料。該文總結(jié)了當(dāng)前氮化鋁陶瓷致密燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展以及幾種常見(jiàn)方法的利弊，包括添加助燒劑、熱壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)以及微波燒結(jié)。文章最后筆者對(duì)低溫?zé)Y(jié)AlN陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)提出了一些看法。

關(guān)鍵詞：AlN? 燒結(jié)技術(shù)? 熱導(dǎo)率? 燒結(jié)溫度

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ174. 1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2020）11（c）-0056-03

Research Progress of Sintering Technology in AlN Ceramics with High Thermal Conductivity

ZHANG Yun*? DING Shihua? SONG Tianxiu

（School of Materials Science and Engineering， Xihua University， Chengdu， Sichuan Province， 610039 China）

Abstract： AlN ceramic has many merits， such as high thermal conductivity， low thermal expansion coefficient， excellent insulation performance， green non-toxic， and so on. It has become the most promising electronic substrate and packaging material because of the high thermal conductivity. This article introduces the research progress of sintering technology in AlN ceramic， the advantages and disadvantages of several common methods， including adding sintering aids， hot-press sintering， spark plasma sintering， and microwave sintering. Finally， opinions on the development tendency of the AlN ceramics sintered at low-temperature are given.

Key Words： AlN; Sintering technologies; Thermal conductivity; Sintering temperature

元器件越來(lái)越小型化、集成化、大功率化，因散熱性能不佳而導(dǎo)致芯片過(guò)熱甚至燒毀，已成為微波集成電路最主要的失效形式。散熱性能良好的基板和封裝材料是保證器件可靠性和穩(wěn)定性的重要前提。BeO熱導(dǎo)率性能雖然優(yōu)異，但其生產(chǎn)原料昂貴，且制備過(guò)程中有毒，長(zhǎng)時(shí)間吸入會(huì)引起慢性鈹肺病。AlN陶瓷的理論熱導(dǎo)率可達(dá)320 W/m·K，與BeO相當(dāng)，并且原料價(jià)格便宜。它還具有熱膨脹系數(shù)低且與硅相匹配，優(yōu)良的絕緣性能，低介電常數(shù)和介電損耗小，環(huán)保無(wú)毒等特點(diǎn)，已成為目前最理想的新一代基板和電子封裝材料。世界范圍內(nèi)普遍認(rèn)為AlN陶瓷取代BeO是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1? AlN陶瓷存在問(wèn)題

AlN穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦，屬于P63mc點(diǎn)群空間。氮化鋁屬于共價(jià)化合物，其熱傳導(dǎo)是依靠晶格振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。晶格振動(dòng)的能量是量子化的，熱傳導(dǎo)可以看作連續(xù)性的非諧振彈性波通過(guò)聲子或熱能與聲子相互作用的量子來(lái)傳播。氧與AlN有較強(qiáng)的親合力，它會(huì)固溶到AlN的點(diǎn)陣中，近而形成鋁空位。晶格呈現(xiàn)出非諧性，影響散射聲子，引發(fā)熱導(dǎo)率惡化。另外，AlN熔點(diǎn)大于2 200 ℃，原子自擴(kuò)散系數(shù)小，難以致密燒結(jié)，氣孔會(huì)降低聲子平均自由程。盡管氮化鋁的理論熱導(dǎo)率較為理想，但由于雜質(zhì)和缺陷的存在使實(shí)際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)達(dá)不到理論值。要想提高熱導(dǎo)率，兩個(gè)關(guān)鍵難題必須解決：一是降低氧雜質(zhì)原子的存在;二是實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)。該文對(duì)AlN陶瓷燒結(jié)技術(shù)研究方面取得的成果進(jìn)行了綜述，并就低溫?zé)Y(jié)發(fā)展趨勢(shì)提出了一些看法。

2? AlN陶瓷燒結(jié)技術(shù)進(jìn)展

2.1 添加助燒劑

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陶瓷可選用的燒結(jié)助劑有CaO、Li2O、B2O3、Y2O3、CaF2、CaC2以及CeO2等[1]。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?chē)灰合嗵畛洌械姆哿舷嗷ソ佑|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。純氮化鋁在1 900 ℃保溫8 h后，氣孔的存在使熱導(dǎo)率僅為114 W/m·K。加入4 wt.%的Y2O3后，該參數(shù)提高至218 W/m·K。通過(guò)多組元協(xié)同作用，可近一步實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷低溫?zé)Y(jié)。比如Dy2O3-CaF2為助燒劑，陶瓷燒結(jié)溫度能降至1 800 ℃，熱導(dǎo)率保持在169 W/m·K。而以Dy2O3-Li2O-CaO、Y2O3-CaO-Li2O三元物為助燒劑，1 600 ℃均可致密，但熱導(dǎo)率分別為163 W/m·K、135 W/m·K。還有以MgO-CaO-Al2O3-SiO2玻璃為助燒劑，可熱導(dǎo)率不及原來(lái)1/2[2]。