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氮化鋁陶瓷:微電子工業(yè)電路基板及封裝的理想結(jié)構(gòu)材料

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發(fā)表時(shí)間:2024-07-13 09:22

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,電子器件正朝著多功能化、微型化、高集成度及大功率方向邁進(jìn),這一趨勢導(dǎo)致了器件工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量的問題日益凸顯。為避免過熱導(dǎo)致的性能衰退甚至失效,尋找具備高熱導(dǎo)率的基板材料成為關(guān)鍵。氮化鋁(AlN),憑借其卓越的導(dǎo)熱性能,成為了新一代基片材料的理想選擇。由其制備的氮化鋁陶瓷,是近年來新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),在電子工業(yè)中的應(yīng)用潛力巨大,不限于散熱解決方案,其高溫耐蝕性、穩(wěn)定性、高強(qiáng)度與硬度也預(yù)示著在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

氮化鋁作為一種共價(jià)鍵主導(dǎo)的化合物,難以進(jìn)行固相燒結(jié),通常采用液相燒結(jié)機(jī)制,即向氮化鋁原料粉末中加入能夠生成液相的燒結(jié)助劑,并通過溶解產(chǎn)生液相,促進(jìn)燒結(jié)。

作為一種人工合成的材料,氮化鋁陶瓷的制備過程通常是先合成氮化鋁粉體,再將得到的粉體燒結(jié)制備成陶瓷。由于氮化鋁中的鋁-氮鍵(Al-N)具有較高的共價(jià)鍵成分,所以氮化鋁的熔點(diǎn)高,自擴(kuò)散系數(shù)小,燒結(jié)活性低,因此是一種難燒結(jié)的陶瓷材料。據(jù)了解,當(dāng)?shù)X粉體純度較高時(shí),非常難以通過燒結(jié)達(dá)到完全致密,在陶瓷晶粒中或晶界處均有氣孔存在,這極大地限制了氮化鋁陶瓷的實(shí)際應(yīng)用。引入合適的燒結(jié)助劑,一方面可以與AlN表面氧化形成的Al2O3反應(yīng)生成較低熔點(diǎn)的第二相,由于液相表面的張力作用,促進(jìn)AlN晶粒的重排,加速燒結(jié)體致密化進(jìn)程。另一方面形成的第二相冷卻后,淀析凝結(jié)在晶界上,減少了高溫下氧進(jìn)入晶格的可能,起到凈化晶格,提高熱導(dǎo)率的作用。目前常用的燒結(jié)助劑主要為氧化物和氟化物,氧化物主要為Y2O3,Sm2O3,La2O3,Dy2O3,CaO;而氟化物有CaF2,YF3等。其中Y2O3驅(qū)氧能力強(qiáng),穩(wěn)定性好等綜合性能優(yōu)越,成為最常用的燒結(jié)助劑;而CaO由于液相形成溫度較低,在低溫?zé)Y(jié)中的作用比較明顯。

氮化鋁陶瓷以其室溫下的高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率等特性,成為耐熱沖擊及高效熱交換的理想材料,尤其適用于燃?xì)廨啓C(jī)熱交換器等高溫環(huán)境。在微電子領(lǐng)域,氮化鋁陶瓷基板憑借其高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、優(yōu)良電性能及光傳輸特性,成為大規(guī)模集成電路散熱基板與封裝材料的首選。

隨著電子信息技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步,對PCB基板的小型化、功能集成化及高散熱、耐高溫性能的需求日益增長,傳統(tǒng)基板材料已難以滿足市場需求,氮化鋁陶瓷基板行業(yè)正迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

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