AIN基板“供不应求”局面还将持续?背后的原因是......

发表时间:2022-05-16 08:45
随着信息技术革命的到来,集成电路产业飞速发展,电子系统集成度的提高将导致功率密度升高,以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加,因此,有效的电子封装必须解决电子系统的散热问题。

在此背景下,陶瓷基板具备优良的散热性能使得市场对其需求快速爆发,尤其是氮化铝陶瓷基板产品,尽管价格远高于其它基板,仍是供不应求甚至“一片难求”,这是为什么呢?


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原因很简单,主要有三点:其一,性能好,用起来“香”,物有所值,在某些领域无法替代,一分钱一分货的道理大家都懂。其二,生产过程”历经八十一难”,得之不易,对原材料要求高,制品制备工艺复杂,生产门槛较高。其三,市场发展迅速,产能扩张速度跟不上需求增速,供货周期长,价格自然水涨船高。今天就这三点进一步了解氮化铝陶瓷基板。

出色的导热性能

首先,封装基板主要利用材料本身具有的高热导率,将热量从芯片 (热源) 导出,实现与外界环境的热交换。对于功率半导体器件而言,封装基板必须满足以下要求:
(1)热导率高,满足器件散热需求;
(2)耐热性好,满足功率器件高温(大于200°C)应用需求;
(3)热膨胀系数匹配,与芯片材料热膨胀系数匹配,降低封装热应力;
(4)介电常数小,高频特性好,降低器件信号传输时间,提高信号传输速率;
(5)机械强度高,满足器件封装与应用过程中力学性能要求;
(6)耐腐蚀性好,能够耐受强酸、强碱、沸水、有机溶液等侵蚀;
(7)结构致密,满足电子器件气密封装需求。
氮化铝性能如何呢?氮化铝作为陶瓷基板材料其性能如下:
(1)氮化铝的导热率较高,室温时理论导热率最高可达320W/(m·K),是氧化铝陶瓷的8~10倍,实际生产的热导率也可高达200W/(m·K),有利于LED中热量散发,提高LED性能;
(2)氮化铝线膨胀系数较小,理论值为4.6×10-6/K,与LED常用材料Si、GaAs的热膨胀系数相近,变化规律也与Si的热膨胀系数的规律相似。另外,氮化铝与GaN晶格相匹配。热匹配与晶格匹配有利于在大功率LED制备过程中芯片与基板的良好结合,这是高性能大功率LED的保障;
(3)氮化铝陶瓷的能隙宽度为6.2eV,绝缘性好,应用于大功率LED时不需要绝缘处理,简化了工艺;
(4)氮化铝为纤锌矿结构,以很强的共价键结合,所以具有高硬度和高强度,机械性能较好。另外,氮化铝具有较好的化学稳定性和耐高温性能,在空气氛围中温度达1000℃下可以保持稳定性,在真空中温度高达1400℃时稳定性较好,有利于在高温中烧结,且耐腐蚀性能满足后续工艺要求。
由以上看来,氮化铝陶瓷具有高热导率、高强度、高电阻率、密度小、低介电常数、无毒、以及与Si 相匹配的热膨胀系数等优异性能,是最具发展前途的一种陶瓷基板材料。


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复杂繁琐的生产过程

氮化铝陶瓷基板的生产过程较为复杂繁琐,其主要体现在两个方面,高端氮化铝粉体的制备与基板的制备。我们分别来了解下这两方面。

1、氮化铝粉体

几乎所有的陶瓷制品的质量都极大受到原材料品质的影响,对氮化铝陶瓷基板来说更是如此。

(1)粉体制备方法

目前制备氮化铝粉体的方法主要有Al2O3粉碳热还原法、Al粉直接氮化法、自蔓延高温合成法、化学气相沉积法、等离子体法等。AlN粉体作为一种性能优异的粉体原料,国内外研究者通过不断的科技创新来解决现有工艺存在的技术问题,同时也在不断探索新的、更高效的制备技术。目前最主要的工艺仍是碳热还原法和直接氮化法,这两种工艺具有技术成熟、设备简单、得到产品质量好等特点,已在工业中得到大规模应用。


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(2)影响粉体性能因素较多

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。

(3)易水解,难存储运输,需对粉体进一步改性处理

相比氮化铝的其它优异性能,氮化铝粉体有个大问题就是容易水解。它在潮湿的环境极易与水中羟基形成氢氧化铝,在AlN粉体表面形成氧化铝层,氧化铝晶格溶入大量的氧,降低其热导率,而且也改变其物化性能,给AlN粉体的应用带来困难。目前的应对方法是,借助化学键或物理吸附作用在AlN颗粒表面涂覆一种物质,使之与水隔离,从而避免其水解反应的发生。抑制水解处理的方法主要有:表面化学改性和表面物理包覆。


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2、基板制备

(1)陶瓷基片的成型

流延成型制备氮化铝陶瓷基片的主要工艺,将氮化铝粉料、烧结助剂、粘结剂、溶剂混合均匀制成浆料,通过流延制成坯片,采用组合模冲成标准片,然后用程控冲床冲成通孔,用丝网印刷印制金属图形,将每一个具有功能图形的生坯片叠加,层压成多层陶瓷生坯片,在氮气中约700℃排除粘结剂,然后在1800℃氮气中进行共烧,电镀后即形成多层氮化铝陶瓷。此外,氮化铝基板的成型方式还有注射成型、流延等静压成型等。


(2)关键步骤-烧结

烧结可以说是氮化铝基板制备中至关重要的一步,主要牵扯到烧结方式的选择、烧结温度的控制、烧结助剂的添加、烧结气氛的控制等。

目前AlN基片较常用的烧结工艺一般有5种,即热压烧结、无压烧结、放电等离子烧结(SPS)、微波烧结和自蔓延烧结。AlN陶瓷基片一般采用无压烧结,该烧结方法是一种最普通的烧结,虽然工艺简单、成本较低,但烧结温度一般偏高,在不添加烧结助剂的情况下,一般无法制备高性能陶瓷基片。

在烧结炉中,烧结温度的均匀性深刻影响着AlN陶瓷。烧结温度均匀性的研究也为大批量生产、降低生产成本提供了保障,有利于实现AlN陶瓷基片产品的商业化生产。


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对于陶瓷致密烧结,添加助烧剂无疑是最为经济、有效的方法。AlN陶瓷基板可选用的烧结助剂有CaO、Li2O、B2O3、Y2O3、CaF2、CaC2以及CeO2等。这些材料在烧结过程发挥着双重作用,首先与表面的Al2O3结合生成液相铝酸盐,在粘性流动作用下,加速传质,晶粒周围被液相填充,原有的粉料相互接触角度得以调整,填实或者排出部分气孔,促进烧结。同时助烧剂可与氧反应,降低晶格氧含量。

在AlN陶瓷的烧结工艺中,烧结气氛的选择也十分关键的。一般的AlN陶瓷烧结气氛有3种:还原型气氛、弱还原型气氛和中性气氛。还原性气氛一般为CO,弱还原性气氛一般为H2,中性气氛一般为N2。在还原气氛中,AlN陶瓷的烧结时间及保温时间不宜过长,烧结温度不宜过高,以免AlN被还原。在中性气氛中不会出现上述情况,所以一般选择在氮气中烧结,这样可以获得性能更好的AlN陶瓷。


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