高导热氮化铝陶瓷烧结技术研究进展

张云　丁士华　宋天秀

摘  要：AlN陶瓷具有热导率高、热膨胀系数低且与硅相匹配、绝缘性能好、环保无毒等优点，已成为目前最有希望的新一代高导热电子基板和封装材料。该文总结了当前氮化铝陶瓷致密烧结技术的研究进展以及几种常见方法的利弊，包括添加助烧剂、热压烧结、放电等离子体烧结以及微波烧结。文章最后笔者对低温烧结AlN陶瓷的发展趋势提出了一些看法。

关键词：AlN  烧结技术  热导率  烧结温度

中图分类号：TQ174. 1                       文献标识码：A                    文章編号：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

元器件越来越小型化、集成化、大功率化，因散热性能不佳而导致芯片过热甚至烧毁，已成为微波集成电路最主要的失效形式。散热性能良好的基板和封装材料是保证器件可靠性和稳定性的重要前提。BeO热导率性能虽然优异，但其生产原料昂贵，且制备过程中有毒，长时间吸入会引起慢性铍肺病。AlN陶瓷的理论热导率可达320 W/m·K，与BeO相当，并且原料价格便宜。它还具有热膨胀系数低且与硅相匹配，优良的绝缘性能，低介电常数和介电损耗小，环保无毒等特点，已成为目前最理想的新一代基板和电子封装材料。世界范围内普遍认为AlN陶瓷取代BeO是科技发展的必然趋势。

1  AlN陶瓷存在问题

AlN稳定结构为六方纤锌矿，属于P63mc点群空间。氮化铝属于共价化合物，其热传导是依靠晶格振动来实现。晶格振动的能量是量子化的，热传导可以看作连续性的非谐振弹性波通过声子或热能与声子相互作用的量子来传播。氧与AlN有较强的亲合力，它会固溶到AlN的点阵中，近而形成铝空位。晶格呈现出非谐性，影响散射声子，引发热导率恶化。另外，AlN熔点大于2 200 ℃，原子自扩散系数小，难以致密烧结，气孔会降低声子平均自由程。尽管氮化铝的理论热导率较为理想，但由于杂质和缺陷的存在使实际产品的热导率远达不到理论值。要想提高热导率，两个关键难题必须解决：一是降低氧杂质原子的存在;二是实现致密烧结。该文对AlN陶瓷烧结技术研究方面取得的成果进行了综述，并就低温烧结发展趋势提出了一些看法。

2  AlN陶瓷烧结技术进展

2.1 添加助烧剂

对于陶瓷致密烧结，添加助烧剂无疑是最为经济、有效的方法。AlN陶瓷可选用的烧结助剂有CaO、Li2O、B2O3、Y2O3、CaF2、CaC2以及CeO2等[1]。这些材料在烧结过程发挥着双重作用，首先与表面的Al2O3结合生成液相铝酸盐，在粘性流动作用下，加速传质，晶粒周围被液相填充，原有的粉料相互接触角度得以调整，填实或者排出部分气孔，促进烧结。同时助烧剂可与氧反应，降低晶格氧含量。纯氮化铝在1 900 ℃保温8 h后，气孔的存在使热导率仅为114 W/m·K。加入4 wt.%的Y2O3后，该参数提高至218 W/m·K。通过多组元协同作用，可近一步实现AlN陶瓷低温烧结。比如Dy2O3-CaF2为助烧剂，陶瓷烧结温度能降至1 800 ℃，热导率保持在169 W/m·K。而以Dy2O3-Li2O-CaO、Y2O3-CaO-Li2O三元物为助烧剂，1 600 ℃均可致密，但热导率分别为163 W/m·K、135 W/m·K。还有以MgO-CaO-Al2O3-SiO2玻璃为助烧剂，可热导率不及原来1/2[2]。