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

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，這一趨勢導(dǎo)致了器件工作時產(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，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鍵主導(dǎo)的化合物，難以進行固相燒結(jié)，通常采用液相燒結(jié)機制，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）具有較高的共價鍵成分，所以氮化鋁的熔點高，自擴散系數(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，非常難以通過燒結(jié)達到完全致密，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)生成較低熔點的第二相，由于液相表面的張力作用，促進AlN晶粒的重排，加速燒結(jié)體致密化進程。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，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，尤其適用于燃氣輪機熱交換器等高溫環(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)展機遇。