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高性能氮化铝陶瓷,最终拼的是粉体的质量!

平安
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楼主 发表于:2021-02-04 16:49:03
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随着大功率和超大规模集成电路的发展,集成电路和基片间散热的重要性也越来越明显。因此,基片必须要具有高的导热率和电阻率。为满足这一要求,国内外研究学者开发出了一系列高性能的陶瓷基片材料,其中主要包括:Al2O3、BeO、AlN、BN、Si3N4、SiC,但是氮化铝是综合性能最优良的新型先进陶瓷材料,被认为是新一代高集成度半导体基片和电子器件的理想封装材料。

同时,氮化铝粉体也是提高高分子材料热导率和力学性能的最佳添加料,如环氧树脂中加入氮化铝粉体可以明显提高其热导率,据中国粉体网编辑了解,目前氮化铝的应用需求正在不断飙升,因而受到国内外研究者的普遍关注。



(图片来源:厦门钜瓷科技)

一、氮化铝陶瓷的优异性能

目前,氮化铝陶瓷已被广泛应用于电子、冶金、机械、国防等各个领域,具有非常优异的综合性能,其主要表现为以下几个方面:

(1)热导率高,是氧化铝陶瓷的5~10倍,与氧化铍陶瓷相当;

(2)热膨胀系数(4.3×10-6/℃)与半导体硅材料((3.5~4.0)×10-6/℃)匹配;

(3)机械性能好,高于BeO陶瓷,接近氧化铝;

(4)电性能优良,具有极高的绝缘电阻和低的介质损耗;

(5)可以进行多层布线,实现封装的高密度和小型化;

(6)无毒,有利于环保。

二、影响氮化铝陶瓷性能的粉体因素

氮化铝陶瓷产品的性能直接取决于原料粉体的特性,尤其是氮化铝最有价值的特性——导热性。影响氮化铝陶瓷导热性的因素主要有:氧及其它杂质的含量、烧结的致密度、显微结构等。而这些因素体现在氮化铝粉体上则为:氮化铝的纯度、颗粒的粒径、颗粒的形状等参数上。

1、氧含量及其它杂质的影响

氮化铝对氧有很强的亲和力。当氮化铝颗粒暴露于空气中时,颗粒表面往往会自发形成Al2O3,部分氧还会固溶进入氮化铝晶格,从而形成铝空位。由于铝空位会散射声子,使声子的散射截面增大,故而损害热导率。因此,为了增加其热导率,就必须严格地控制氧元素的含量。通常对氧含量的要求是小于1wt%。

氧以外的其它杂质(包含金属杂质与非金属杂质)也会固溶在氮化铝晶格中,导致氮化铝产生缺陷,严重降低热导率。据中国粉体网编辑的学习了解,一般情况下,氮化铝粉体中包含Fe、Mg、Ca等金属杂质的总含量需不超过500ppm,非金属杂质,包含Si、C等的总含量应低于0.1wt%。

2、粒径大小的影响

致密度不高的材料热导率也不会高。为了获得高致密度的氮化铝陶瓷,一般采取的方法有:使用超细粉、改善烧结方式、引入烧结助剂等方法。因此,氮化铝粉体粒径的大小会直接影响到氮化铝陶瓷烧结的致密度。

超细氮化铝粉体由于其高的比表面积,会在烧结的过程中增加烧结的推动力,加速烧结的过程。此外,粉体的尺寸变小也就意味着物质的扩散距离变短,高温下有利于液相物质的生成,极大地加强了流动传质作用。

由于氮化铝自扩散系数小,烧结非常困难。只有使用纯度高的超细粉,才可以在烧结的过程中尽可能地减少气孔的出现,保持高致密度。因此,据中国粉体网编辑的了解,工业上一般要求超细氮化铝粉体的D50(即颗粒累积分布为50%的粒径)尺寸尽可能地保持在1~1.5μm左右且粒度均匀。

3、颗粒形状的影响

相较于颗粒尺寸对氮化铝陶瓷的影响,颗粒的形貌对其的影响主要集中在粉体的流动性以及填充率的增加上。工业上一般认为氮化铝粉体呈球形为合理的选择。球形粉体比其他形状如棒状,双头六角形状流动性更好,且填充率也会相对高一些。特别是对于把氮化铝作为填料的工业领域,流动性差意味着难以均匀混合,势必会对产品的性能造成一定的负面影响。

氮化铝粉体填充率越高,其热膨胀系数就越小,热导率越高。相较于其它形状来说,球形粉体制成的封装材料应力集中小、强度高。而且球形粉体摩擦系数小,对模具的磨损小,可延长模具的使用寿命,提高经济效益。


高性能氮化铝的参数指标

(来源:马丁:适合于导热基板用氮化铝粉体的制备与表征)

三、高性能氮化铝粉体的制备技术

氮化铝的应用广泛,我国对氮化铝粉体的需求也是不断增加。但高性能氮化铝粉体基本由国外厂商所垄断。主要集中在日本德山,日本东洋,德国STARCK等几家公司。因此,我国对于高性能氮化铝粉体还需要在技术以及规模上有所突破。

要获得性能优异的氮化铝陶瓷基板材料,首先必须制备出高纯度、小粒度、窄粒度分布、性能稳定的氮化铝粉体。目前,在氮化铝粉体生产中应用最为广泛的工艺是碳热还原法和直接氮化法,其中碳热还原法生产的粉体占据全球氮化铝粉体总产量的七成以上,是氮化铝产品用粉的最主要制备方法。与此同时,随着下游产业对氮化铝粉体性能及多样化品种要求的不断提高,多种制备工艺相继被开发出来。


常见的氮化铝粉体制备方法

(来源:蒋周青,等::氮化铝粉体制备技术的研究进展)

1、碳热还原法

该法制备AlN是将Al2O3粉体和碳源均匀混合,在1600~1800℃的高温流动N2中发生还原-氮化反应而生成AlN粉体。作为已被工业化应用于制备AlN粉体的技术,碳热还原法具有原料来源丰富,工艺过程简单,制备的粉体纯度高、粒径小、分布均匀及烧结性能良好等优点。但该工艺存在对Al2O3和碳源的性能要求高,原料难以均匀混合,反应温度高、时间长,后期还需二次除碳等问题。

另据中国粉体网编辑了解,在碳热还原法制备氮化铝粉体时,影响反应的因素太多。例如碳源的选择,铝源的选择,添加剂的选择,碳铝摩尔比的确定,氮气流速的确定等。合理处理每一步对降低碳热还原法合成氮化铝粉体的成本以及提高粉体质量都具有重要意义。如选择不同种类的原料进行反应,氮化温度可相差200℃左右。

2、直接氮化法

铝粉直接氮化法是在1150~1300℃下,将铝粉直接和N2或NH3化合生成AlN粉体的技术。该技术作为另一种已被工业化、也是最早被应用于制备AlN粉体的方法,其整个生产过程具有工艺简单、不用后期除碳、成本较低的优点。但该工艺的主要问题是铝粉在氮化反应开始前大量熔化结块,造成N2扩散困难而使铝粉难以氮化完全;同时,AlN产品需进行后期球磨破碎,得到的颗粒尺寸不均匀、球形度差,且容易引入杂质。

3、自蔓延烧结法

铝粉自蔓延烧结法是利用铝粉氮化反应时燃烧释放的热量使反应过程持续自发进行,以获得高纯度AlN粉体的合成方法。采用自蔓延烧结法制备AlN对铝粉要求较低,所需设备简单,操作简便,具体过程是将铝粉在高压N2中引燃后,利用Al与N2之间的高化学反应热来维持反应的持续进行,直到铝粉被完全转化为AlN。

但该工艺由于反应速率过快、过程难以控制,得到的AlN粉体形貌呈现不规则状,单晶颗粒内部容易形成高浓度缺陷和非平衡结构,粉体纯度较低,同时颗粒容易出现大面积团聚现象。因此,通过该工艺获得的粉体原料会影响烧成AlN基板的机械强度及热导率,也不利于提纯用于单晶生长的高纯AlN粉体。据中国粉体网编辑了解,目前,利用该工艺制备AlN粉体还处于实验室研究阶段。

4、化学气相沉积法

化学气相沉积(CVD)法是一种制备超细、高纯、高比表面积、粒度分布均匀氮化物粉体的有效方法。采用该方法制备AlN粉体的核心原理是将铝的挥发性化合物(卤化铝或烷基铝)由N2带入反应室与NH3反应,从气相中沉积得到AlN晶粒。

CVD法生产的AlN粉体具有纯度高、粒度细小且比表面积高的特点。但该工艺存在对设备要求较高,生产效率低,采用烷基铝为原料会导致成本较高,而采用无机铝为原料则会生成腐蚀性气体,所以目前还难以进行大规模工业化生产。

5、等离子体法

等离子体法是合成纳米级AlN粉体的先进工艺,其原理是将铝粉通过气体送入等离子体反应器中,铝粉在高温等离子体环境下快速升温、熔融、气化形成铝蒸气,铝蒸气再与高能量的氮离子反应生成AlN纳米颗粒。

用等离子体法合成AlN粉体具有反应时间短、得到的粉体粒径小、比表面积大、杂质少、无需二次除碳等优势。但该工艺也存在设备要求高、产品产量低、单颗粒形貌不规则、难以得到低氧含量粉体等问题,所以目前该工艺制备AlN粉体还停留在实验室阶段。

小结

高性能氮化铝陶瓷最终取决于氮化铝粉体的质量,到目前为止,制备氮化铝粉体有氧化铝粉碳热还原法、铝粉直接氮化法、化学气相沉积法、自蔓延高温合成法等多种方法,各种方法都有其自身的优缺点。综合来看,氧化铝粉碳热还原法和铝粉直接氮化法比较成熟,是目前制备高性能氮化铝粉的主流技术,已经用于工业化大规模生产。

氮化铝粉体制备的技术发展趋势主要表现在两个方面:一是进一步提升氮化铝粉体的性能,使之能够制造出更高热导率的氮化铝陶瓷产品;二是进一步提升氮化铝粉体批次生产稳定性,增大批生产量,降低生产成本。我国目前的高性能氮化铝粉基本依赖进口,不仅价格高昂,而且随时存在原材料断供的风险。因此,实现高性能氮化铝粉制造技术的国产化,已成为当务之急。

参考来源:

马丁:适合于导热基板用氮化铝粉体的制备与表征,北京交通大学2019

蒋周青,等::氮化铝粉体制备技术的研究进展,有研科技集团有限公司2019

张浩,等:高性能氮化铝粉体技术发展现状,中国电子科技集团公司第四十三研究所2015

燕东明,等:高热导率氮化铝陶瓷研究进展,中国兵器工业第五二研究所2011

刘战伟,等:氮化铝粉末的制备方法及影响因素,中南大学冶金科学与工程学院