這幾年，毫無疑問它屬于信息技術(shù)時(shí)代。隨著微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，氮化鋁陶瓷基板已廣泛用于制造超大規(guī)模集成電路。作為一種高導(dǎo)熱陶瓷基板和封裝材料，氮化鋁陶瓷基板備受關(guān)注。

毋庸置疑，氮化鋁（AlN）的優(yōu)點(diǎn)是其熱導(dǎo)率是最廣泛使用的氧化鋁陶瓷的7倍。同時(shí)具有低介電常數(shù)、氧化鋁的優(yōu)良電性能、硅相近的熱膨脹率、高比強(qiáng)度、低密度、無毒等特點(diǎn)。因此，使用氮化鋁陶瓷基板的電子元件的“輕”，著實(shí)令人羨慕。但有得也有失。目前，氮化鋁陶瓷基板面臨一個(gè)很大的困境，即高昂的成本在一定程度上影響了其應(yīng)用推廣。

這些成本從何而來？如前所述，AlN的熱導(dǎo)率非常出色（理論上可達(dá)320W/m-k）。但由于氮化鋁陶瓷中的雜質(zhì)和缺陷，使產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)與理論值相差甚遠(yuǎn)。因此，為了盡可能接近理論熱導(dǎo)率并突出氮化鋁本身的優(yōu)勢(shì)，制造商必須在襯底的制備中處處檢查，以避免出現(xiàn)明顯的性能缺陷。每一道工序的改進(jìn)和高成本的結(jié)果，自然是順理成章的。詳見下文分析。

一、氮化鋁粉末的制備

首先是原材料，氮化鋁粉末用作制備最終陶瓷產(chǎn)品的原料。其純度、粒度、氧含量及其他雜質(zhì)含量對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的導(dǎo)熱性、后續(xù)燒結(jié)和成型工藝有重要影響，是最終產(chǎn)品性能好壞的基石。氮化鋁粉末的合成方法如下：

1、直接氮化法：在高溫氮?dú)鈿夥障拢X粉與氮?dú)庵苯咏Y(jié)合生成氮化鋁粉，反應(yīng)溫度一般為800℃~1200℃。

2、碳熱還原法：將Al2O3粉末和碳粉的混合粉末在流動(dòng)的氮?dú)庵校诟邷兀?span style="font-size: 16px; font-family: Calibri; ">1400℃~1800℃）下還原氮化，形成氮化鋁粉末。

3、自蔓延高溫合成法：該法為鋁粉直接氮化，充分利用鋁粉直接氮化作為強(qiáng)放熱反應(yīng)的特點(diǎn)。將鋁粉置于氮的中點(diǎn)，然后通過鋁和氮之間的高化學(xué)反應(yīng)熱維持反應(yīng)，合成氮化鋁。

4、化學(xué)氣相沉積法：鋁的揮發(fā)性化合物與氮?dú)饣虬睔夥磻?yīng)，從氣相中沉淀出氮化鋁粉末；根據(jù)鋁源不同，可分為無機(jī)（鹵化鋁）和有機(jī)（烷基鋁）化學(xué)氣相沉積。

顯然高純度、細(xì)粒度和窄粒度分布的氮化鋁粉體所需的工藝要么是成本高、制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低，要么是設(shè)備要求高，這一系列困難的后果是優(yōu)質(zhì)氮化鋁粉的價(jià)格上漲。

二、氮化鋁的成型

氮化鋁粉末的成型工藝較多，可適用成型、熱壓、等靜壓等傳統(tǒng)成型工藝。其中，熱壓和等靜壓適用于制備高性能塊體氮化鋁陶瓷材料，但成本高、生產(chǎn)效率低，不能滿足電子行業(yè)對(duì)氮化鋁陶瓷基板日益增長(zhǎng)的需求。為了解決這個(gè)問題，近年來采用流延成型的方法形成了氮化鋁陶瓷基板。流延成型也成為電子工業(yè)用氮化鋁陶瓷的主要基本成型工藝。

三、氮化鋁的燒結(jié)

氮化鋁的燒結(jié)工藝比較苛刻，燒結(jié)或熱壓燒結(jié)溫度常在1800℃以上。為實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)，降低雜質(zhì)和晶界相含量，簡(jiǎn)化工藝，降低成本，氮化鋁陶瓷燒結(jié)工藝的要點(diǎn)如下：首先，選擇合適的燒結(jié)工藝和氣氛；二是選擇合適的燒結(jié)助劑。

1、燒結(jié)工藝

氮化鋁的自擴(kuò)散系數(shù)低，燒結(jié)非常困難。氮化鋁陶瓷基板一般有五種常見的燒結(jié)工藝。

①熱壓燒結(jié)：即在一定壓力下對(duì)陶瓷進(jìn)行燒結(jié)，可以同時(shí)進(jìn)行加熱燒結(jié)和加壓成型，得到晶粒細(xì)、相對(duì)密度高、力學(xué)性能好的陶瓷。

② 無壓燒結(jié)：燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單。常壓燒結(jié)氮化鋁陶瓷的一般溫度范圍為1600-2000℃。適當(dāng)提高燒結(jié)溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，可以提高氮化鋁陶瓷的密度，但強(qiáng)度相對(duì)較低。

③微波燒結(jié)：微波燒結(jié)也是一種快速燒結(jié)方法，利用微波與介質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生介電損耗，使整個(gè)機(jī)體發(fā)熱。

④火花等離子燒結(jié)：集等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術(shù)于一體，具有燒結(jié)速度快、晶粒尺寸均勻等特點(diǎn)，但設(shè)備成本高，加工工件尺寸有限。

⑤自蔓延燒結(jié)：即在超高壓氮?dú)庀峦ㄟ^自蔓延高溫合成反應(yīng)直接制備致密的AlN陶瓷材料。但是，由于原料中的Al在高溫燃燒反應(yīng)下易熔化，阻礙了氮向坯料的滲透，因此很難獲得高密度的氮化鋁陶瓷。

在上述五種燒結(jié)工藝中，熱壓燒結(jié)是制備高導(dǎo)熱致密AlN陶瓷的主要工藝。但其工藝較為復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高，生產(chǎn)效率低，成本自然較高。

2、燒結(jié)氣氛

目前氮化鋁陶瓷基板的燒結(jié)氣氛有中性氣氛、還原了氣氛和弱還原氣氛三種。普通N2用于中性氣氛，CO用于還原氣氛，H2用于弱還原氣氛。在還原氣氛中，氮化鋁陶瓷的燒結(jié)時(shí)間和保溫時(shí)間不宜過長(zhǎng)，燒結(jié)溫度也不宜過高，以免氮化鋁還原。上述情況在中性氣氛下不會(huì)發(fā)生，因此一般選擇在氮?dú)庵袩Y(jié)以獲得更高性能的AlN陶瓷。

3、燒結(jié)助劑的添加

在氮化鋁陶瓷基板的燒結(jié)過程中，除了影響產(chǎn)品性能的工藝和氣氛外，燒結(jié)助劑的選擇也尤為重要。

氮化鋁燒結(jié)助劑一般為堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物，助燒劑主要有兩個(gè)作用：一方面形成低熔點(diǎn)相，實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)生坯致密化；另一方面，高導(dǎo)熱性是AlN襯底的重要性能。由于氮化鋁襯底中存在氧雜質(zhì)等各種缺陷，熱導(dǎo)率低于理論值。添加燒結(jié)助劑可與氧發(fā)生反應(yīng)，使晶格完整，提高導(dǎo)熱性。

用于燒結(jié)氮化鋁陶瓷基板的燒結(jié)助劑主要有Y2O3、Cao、Yb2O3、Sm2O3、li2o3、B2O3、CaF2、yf3、CaC2等或它們的混合物。選擇多種復(fù)合燒結(jié)助劑，往往能獲得比單一燒結(jié)助劑更好的燒結(jié)效果，實(shí)現(xiàn)AlN低溫?zé)Y(jié)，降低能耗，便于連續(xù)生產(chǎn)。為了找到合適的低溫?zé)Y(jié)助劑，廠家往往需要投入大量的時(shí)間和精力進(jìn)行研發(fā)，所以這部分也會(huì)體現(xiàn)在氮化鋁陶瓷基板的價(jià)格上。