电路封装的好材料：氮化铝陶瓷

氮化铝陶瓷

氮化铝呈六方晶系，纯AlN通常呈灰色或灰白色。氮化铝陶瓷作为一种综合性能优异的新型陶瓷材料，具有优异的导热性能、可靠的电绝缘性、低介电常数和介电损耗、无毒且热膨胀系数与硅相匹配等一系列优良特性，被认为是是新一代高集成半导体衬底和电子器件封装的理想材料。本文简要介绍了AlN材料的制备及应用。

制备方法

其制备工艺与其他陶瓷材料基本相似，共有粉末合成、成型、烧结三个制备过程。

1. 氮化铝粉末的制备

氮化铝粉末作为制备最终陶瓷产品的原材料，对后续成品的导热性能、后续烧结和成型工艺有着重要影响，是最终产品优异性能的基石。氮化铝粉末的合成方法如下：

(1)直接氮化法：在高温氮气气氛下，将铝粉直接与氮气化合生成氮化铝粉末，反应温度一般为800℃～1200℃。

(2)碳热还原法：将氧化铝粉与调色剂的混合粉在流动氮气中在高温(1400℃～1800℃)下进行氮化反应还原生成AlN粉末。

(3)自蔓延高温合成法：该法是铝粉直接氮化，充分利用铝粉直接氮化的特点，发生强烈的放热反应，然后利用铝与铝之间的高化学反应热。氮气自身维持反应并合成AlN。

(4)化学气相沉积法：利用铝的挥发性化合物与氮气或氨反应，从气相中沉淀出氮化铝粉末；根据选择铝源的不同，分为无机化学气相沉积法和有机化学气相沉积法。

2.AlN的形成过程。

氮化铝粉末成型工艺有多种，模压、热压、等静压等传统成型工艺均适用。由于氮化铝粉末的亲水性较强，为了减少氮化铝的氧化，在成型过程中应尽可能避免与水接触。此外，热压和等静压虽然适合制备高性能块状氮化铝陶瓷材料，但其成本高、生产效率低，无法满足电子行业对氮化铝陶瓷基板日益增长的需求。为了解决这一问题，近年来，人们采用铸造法形成氮化铝陶瓷基板。铸造法也成为电子工业用氮化铝陶瓷的基本主要成型工艺。

应用

1. 基材

大多数陶瓷是具有强离子或共价键的材料，具有优异的综合性能，是电子封装中常用的基板材料，具有高绝缘性能和优异的高频特性，且线膨胀系数与电子元件非常相似，并且化学性质非常稳定，导热系数高。 1985-1988年间，氮化铝在微电子封装材料中的应用兴起。事实证明，大多数高功率混合集成电路的衬底材料长期以来一直使用氧化铝和氧化铍陶瓷，但氧化铝的基本导热系数较低，热膨胀系数与硅不太匹配；氧化铍虽然具有优异的综合性能，但其生产成本高、毒性大等缺点限制了其应用和推广。因此，从性能、成本和环保方面考虑，两者已不能完全满足现代电子功率器件发展的需要。

2、电子薄膜材料

电子薄膜材料是微电子技术和光电子技术的基础，因此各种新型电子薄膜材料的研究成为众多研究者的热点。氮化铝作为电子薄膜材料于19世纪60年代被发现，具有广泛的应用前景。近年来，以III族为代表的宽禁带半导体材料和电子器件。氮化物发展迅速，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。 AlN，作为典型的III族。一氮化物，已越来越受到国内外研究者的关注。

3、坩埚涂层

氮化铝的耐蚀性可以被熔融铝渗透但不能与其发生反应，包括铜、锂、铀、铁等复合合金和一些超耐热合金；并且氮化铝对碳酸盐、低共熔混合物、氯化物、冰晶石等多种熔盐稳定。因此可以将其制成坩埚或耐火材料的涂层。

氮化铝可用作真空蒸发和金属熔化的容器，特别适合真空蒸发Al的坩埚，AlN在真空中加热，虽然蒸气压低，但即使分解，也不会污染铝。 AlN还可用作热电偶保护套，在空气中800~1000℃的铝池中连续浸泡3000h以上，无侵蚀损坏。在半导体工业中，采用AlN坩埚代替石英坩埚合成砷化镓，可以完全消除Si对砷化镓的污染，获得高纯度的产品。

氮化铝的各种优异性能决定了其多方面的应用，作为压电薄膜，得到了广泛的应用；作为电子器件和集成电路的封装、介质隔离和卷绕材料，具有重要的应用前景；作为蓝光和紫外发光材料，也是研究热点；作为一种高分子材料，可以用来固定模具、制作粘合剂、导热硅脂和散热垫……经过市场的进一步扩大和发展，氮化铝陶瓷材料的应用范围将会越来越广泛。

本文转载自CERADIR