氮化铝陶瓷的研究和应用进展

2010-08-15胡友静燕晓艳

科技传播 2010年5期

胡友静，燕晓艳

山东省特种设备检验研究院东营分院，山东东营 257091

氮化铝（AlN）是一种综合性能优良新型陶瓷材料，具有优良的热传导性，可靠的电绝缘性，低的介电常数和介电损耗，无毒以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良特性，被认为是新一代高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料，受到了国内外研究者的广泛重视.在理论上，AlN的热导率为320W/(m)，工业上实际制备的多晶氮化铝的热导率也可达100～250 W/(m)，该数值是传统基片材料氧化铝热导率的5倍～10倍,接近于氧化铍的热导率，但由于氧化铍有剧毒,在工业生产中逐渐被停止使用。与其它几种陶瓷材料相比较，氮化铝陶瓷综合性能优良，非常适用于半导体基片和结构封装材料，在电子工业中的应用潜力非常巨大。

1 AlN陶瓷的直接应用

1.1 AlN作为基板材料

高电阻率、高热导率和低介电常数是集成电路对封装用基片的最基本要求。封装用基片还应与硅片具有良好的热匹配、易成型、高表面平整度、易金属化、易加工、低成本等特点和一定的力学性能。大多数陶瓷是离子键或共价键极强的材料，具有优异的综合性能，是电子封装中常用的基片材料，具有较高的绝缘性能和优异的高频特性，同时线膨胀系数与电子元器件非常相近，化学性能非常稳定且热导率高。长期以来，绝大多数大功率混合集成电路的基板材料一直沿用A1203和BeO陶瓷，但A1203基板的热导率低，热膨胀系数和Si不太匹配；BeO虽然具有优良的综合性能，但其较高的生产成本和剧毒的缺点限制了它的应用推广。因此，从性能、成本和环保等因素考虑，二者已不能完全满足现代电子功率器件发展的需要。

1.2 AlN作为电子膜材料

电子薄膜材料是微电子技术和光电子技术的基础，因而对各种新型电子薄膜材料的研究成为众多科研工作者的关注热点。AlN于19世纪60年代被人们发现，可作为电子薄膜材料，并具有广泛的应用。近年来，以ⅢA族氮化物为代表的宽禁带半导体材料和电子器件发展迅猛，被称为继以Si为代表的第一代半导体和以GaAs为代表的第二代半导体之后的第三代半导体。A1N作为典型的ⅢA族氮化物得到了越来越多国内外科研人员的重视。目前，各国竞相投入大量的人力、物力对AlN薄膜进行研究工作。由于A1N有诸多优异性能，带隙宽、极化强，禁带宽度为6.2eV，使其在机械、微电子、光学，以及电子元器件、声表面波器件(SAW)制造、高频宽带通信和功率半导体器件等领域有着广阔的应用前景。AlN的多种优异性能决定了其多方面应用，作为压电薄膜，已经被广泛应用；作为电子器件和集成电路的封装、介质隔离和绝缘材料，有着重要的应用前景；作为蓝光、紫外发光材料也是目前的研究热点[4]。

2 AlN陶瓷的复合改性

2.1 AlN作为性能改进相

当前为了改善陶瓷材料脆性的弱点，开展了许多研究丁作。其中通过添加第二相、第三相颗粒形成复相陶瓷也成为改善陶瓷材料韧性的蓖婴手段，此方法与添加晶须、纤维等方法相比，具有价格低廉、容易制备等特点。碳化硅材料由丁其高硬度，高温强度，耐磨，耐腐蚀，密度比较小等优良性能，在机械、化工、能源和军工方面已经获得大量应用。但是由于其室温强度低以及韧性不足而使其应用受到一定的限制。为提高碳化硅陶瓷材料的强度与韧性，借鉴金属弥散强化理论采用第二相粒子的添加方法已经取得一些成绩。例如SiC/TiC、Sic/A1203和SiC/TlB等。

2.2 AlN作为基体

氮化铝(AlN)具有高的热导率(理论热导率为320 W/(m·K)，实际值可达260 W/(m·K)，为氧化铝陶瓷的10倍～15倍)、低的相对介电常数(约为8.8)、可靠的电绝缘性(电阻率＞1016Q·m-1)、耐高温、耐腐蚀、无毒、良好的力学性能以及与硅相匹配的热膨胀系数(20℃～500℃，4.6×10-6K-1)等一系列优良性能，在许多高技术领域的应用越来越广泛，这其中很多情况下要求AlN为异形件和微型件，但是传统的模压和等静压工艺无法制备出复杂形状的陶瓷零部件，加上AlN陶瓷材料所固有的韧性低、脆性大、难于加工的缺点，使得用传统机械加工的方法很难制备出复杂形状的AlN陶瓷零部件。为了充分发挥AlN的性能优势，拓宽它的应用范围，解决好AlN陶瓷的复杂形状成形技术问题是其中非常关键的一环。

3 AlN陶瓷的制备工艺

与其它陶瓷材料制备工艺相同,氮化铝陶瓷的制备包括粉体的合成、成形、烧结3个工艺过程。氮化铝的导热性能受杂质含量和微观结构影响严重，而杂质含量和微观结构与制备工艺密不可分。为此，作者对氮化铝陶瓷的制备的各个工艺过程的研究状况分别进行总结，指出目前低成本的氮化铝粉末制备方法以及氮化铝陶瓷的复杂形状成形技术是非常有价值的研究方向.

3.1 AlN的粉体制备

AlN粉末是制备陶瓷的原料，它的纯度、粒度、氧含量及其它杂质含量对制备出的氮化铝陶瓷的热导率以及后续烧结，成形工艺有重要影响。一般认为，要获得性能优良的AlN陶瓷材料必须首先制备出高纯度、细粒度、窄粒度分布，性能稳定的AlN粉末，目前氮化铝粉末的合成方法主要有4种：铝粉直接氮化法、碳热还原法、自蔓延高温合成法、化学气相沉积法。

3.2 AlN的成型工艺

氮化铝粉末的成形工艺有多种，传统的成形工艺诸如模压，热压，等静压等均适用。由于氮化铝粉末的亲水性强，为了减少氮化铝的氧化，成形过程中应尽量避免与水接触。另外，热压，等静压虽然适用于制备高性能的块体氮化铝瓷材料，但成本高、生产效率低，无法满足电子工业对氮化铝陶瓷基片用量日益增加的需求。为了解决这一问题，近年来人们研究采用流延法成形氮化铝陶瓷基片。流延法也已成为电子工业用氮化铝陶瓷基本的主要成形工艺。

3.3 AlN的烧结机制

氮化铝属于共价化合物，熔点高，原子自扩散系数小，因此，纯净的AlN粉末在通常的烧结温度下很难烧结致密，而致密度不高的材料很难具有较高的热导率。除了致密度外，另一个影响AlN陶瓷热导率的因素是杂质含量，尤其是氧含量。由于AlN对氧有强烈的亲合力，部分氧会固溶入AlN的点阵中，从而形成铝空位。产生的铝空位散射声子，降低了声子的平均自由程，从而导致热导率下降。因此，要制备高热导率的氮化铝陶瓷，在烧结工艺中必须解决2个问题：第一是要提高材料的致密度；第二是在高温烧结时，要尽量避免氧原子溶入氮化铝的晶格中。