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好但贵，为什么氮化铝基板成本更高？

Jun 06, 2023

今天，无疑是信息技术时代的到来。微电子工业的快速发展，使氮化铝陶瓷在超大规模集成电路的生产中一炮而红。它们作为高导热陶瓷基板和封装材料而备受关注。

AlN的导热系数是目前应用最广泛的Al2O3陶瓷的7倍之多，同时介电常数低，具有可与氧化铝相媲美的优良电性能，强度高、密度低且无毒。但有得必有失，当前氮化铝基板面临着一个较大的困境，那就是成本在一定程度上影响了其应用的推广。

那么这些成本从何而来呢？如前所述，AlN具有突出的导热性能，但由于陶瓷中的杂质和缺陷，产品的导热性能与理论值相差甚远。

因此，为了尽可能接近理论导热系数并突出AlN本身的优势，制造商在制备时必须小心谨慎，避免出现明显的性能缺点。每一道工序都精益求精，所以随之而来的是高昂的成本。

氮化铝粉末的制备

作为制备最终陶瓷产品的原材料，其纯度、粒度、氧含量等杂质对导热性能、烧结和成型过程有重要影响。它们是最终产品卓越性能的基石。

AlN粉末的合成方法有以下几种：

①直接氮化法：在高温氮气气氛下，铝粉直接与氮气化合生成氮化铝粉末，反应温度一般在800℃~1200℃范围内.

②碳热还原法：将Al2O3粉末与碳粉末的混合物在高温（1400℃~1800℃）在氮气流中发生还原氮化反应，生成AlN粉末。

③自蔓延高温合成法：它是铝粉直接氮化，充分利用铝粉直接氮化为强放热反应的特点，使铝粉在氮点处，利用铝和氮之间的高化学反应热维持其自身反应，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气反应，从气相中析出氮化铝粉末。根据铝源的选择，分为无机化学气相沉积法和有机化学气相沉积法。

方法	优势	坏处
直接渗氮法	放热反应强，易自烧结，工艺简单，适合批量生产	采用气固扩散控制，要求温度高、反应时间长，质量稳定性差，难以合成高纯度、细粒度的产品。
碳热还原法	合成粉纯度高、性能稳定、粉粒细小均匀，制备高档粉体	对工艺条件敏感，反应温度高，合成时间长，需要二次脱碳，成本高
化学气相沉积法	工艺可靠，易于实现工艺连续性，获得高纯度纳米级粉末	生产效率低
自蔓延高温合成法	反应速度快、合成时间短、工艺简单、成本低、生产效率高、所得粉体活性高	反应过程难以控制，难以制备出高质量粉体
有机盐裂解法	连续化生产，制备的粉体纯度高、超细	原材料成本高
等离子体化学合成法	制备的粉体粒径小、活性高、工艺性能好	纯度较低，设备复杂

显然，高纯度、细粒度、窄粒度分布的AlN粉末所需的工艺成本较高，或者制备工艺复杂、生产效率低下，或者设备要求条件高，而这一系列问题的后果困难在于优质氮化铝粉价格较高。

AlN的形成

AlN粉末的成型工艺有多种，可采用模压、热压、等静压等传统成型工艺。其中热压和等静压适合制备高性能块状氮化铝陶瓷材料，但成本高、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。为了解决这个问题，最近人们采用流铸法来形成氮化铝陶瓷基板。铸造法也成为电子工业氮化铝陶瓷的主要成型工艺。

另外，由于AlN粉末的亲水性强，为减少氧化，在成型过程中应尽可能避免与水接触，这意味着氮化铝陶瓷毛坯需要使用有机浆料制备。但由于所使用的有机溶剂具有较强的挥发性，会对环境和人体造成不良影响。或者提高AlN粉末表面的抗水解能力，如借助疏水性和亲水性有机物质在AlN表面形成包覆层，或者在一定氧分压气氛下进行热处理，在其表面形成致密的氧化铝层。其表面等。

氮化铝的烧结

氮化铝的烧结工艺比较苛刻，烧结或热压烧结温度往往高达1800℃以上，既要实现致密烧结，降低杂质和晶界相的含量，又要简化工艺，降低成本，在AlN陶瓷的烧结工艺关键做到：一是选择合适的烧结工艺和气氛。其次，选择合适的烧结添加剂。

1.烧结工艺

AlN衬底由于自扩散系数小，其烧结过程非常困难。

①热压烧结：陶瓷在一定的压力下进行烧结，可以同时进行加热烧结和加压成型，从而得到晶粒细小、相对密度高、机械性能好的陶瓷。

②无压烧结：烧结工艺简单，常压烧结氮化铝陶瓷一般温度范围为1600-2000℃。适当提高烧结温度和延长保温时间可以提高氮化铝陶瓷的密度，但强度相对较低。

③微波烧结：微波烧结也是一种快速烧结方法，利用微波与介质的相互作用产生介电损耗而对毛坯进行整体加热的烧结方法。

④放电等离子烧结：综合了等离子体活化、热压、电阻加热等技术。它具有烧结速度快、晶粒尺寸均匀的特点，但设备成本高，加工工件尺寸有限。

⑤自蔓延烧结：在超高压氮气下通过自蔓延高温合成反应直接制备致密的AlN陶瓷。然而，由于高温燃烧反应，原料中的Al容易熔化，阻碍氮气渗透到坯料中，因此很难获得致密的AlN陶瓷。

在上述五种烧结工艺中，热压烧结是制备高导热致密AlN陶瓷的主要工艺。但其工艺较为复杂，设备要求较高，生产效率较低，成本自然也就较高。

2. 烧结气氛

目前AlN陶瓷的烧结气氛有中性气氛、还原性气氛和弱还原性气氛三种。中性气氛采用常用的N2，还原性气氛采用CO，弱还原性气氛采用H2。

在还原性气氛中，AlN陶瓷的烧结时间和保温时间不宜过长，烧结温度不宜过高，以免AlN还原。在中性气氛下，不会发生上述情况，因此一般选择在氮气中烧结，从而获得较高性能的AlN陶瓷。

3、烧结助剂的添加

在氮化铝陶瓷基体的烧结过程中，除了工艺和气氛影响产品的性能外，烧结添加剂的选择也尤为重要。

AlN烧结添加剂一般为碱金属氧化物和碱土金属氧化物，烧结添加剂主要有两个作用：一方面形成低熔点相，进行液相烧结，降低烧结温度，促进毛坯致密化。另一方面，高导热率是AlN衬底的重要性能。由于氧杂质等各种缺陷的存在，导热系数低于理论值，烧结助剂的添加可以与氧反应，完成晶格，从而提高导热系数。

烧结AlN陶瓷所用的烧结助剂主要是Y₂O₃、CaO、Yb₂O₃、SM₂O₃、李₂O₃、B₂O₃、氟化钙₂、YF₃、碳酸钙_2, 等或它们的混合物。多种复合烧结助剂的选择往往可以获得比单一烧结助剂更好的烧结效果，实现AlN低温烧结，降低能耗，有利于连续化生产。为了找到合适的低温烧结添加剂，制造商往往需要投入大量的时间和精力进行研发，因此这部分也会体现在AlN基板的价格上。