張云　丁士華　宋天秀

摘? 要：AlN陶瓷具有熱導率高、熱膨脹系數(shù)低且與硅相匹配、絕緣性能好、環(huán)保無毒等優(yōu)點，已成為目前最有希望的新一代高導熱電子基板和封裝材料。該文總結了當前氮化鋁陶瓷致密燒結技術的研究進展以及幾種常見方法的利弊，包括添加助燒劑、熱壓燒結、放電等離子體燒結以及微波燒結。文章最后筆者對低溫燒結AlN陶瓷的發(fā)展趨勢提出了一些看法。

關鍵詞：AlN? 燒結技術? 熱導率? 燒結溫度

中圖分類號：TQ174. 1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2020）11（c）-0056-03

Research Progress of Sintering Technology in AlN Ceramics with High Thermal Conductivity

ZHANG Yun*? DING Shihua? SONG Tianxiu

（School of Materials Science and Engineering， Xihua University， Chengdu， Sichuan Province， 610039 China）

Abstract： AlN ceramic has many merits， such as high thermal conductivity， low thermal expansion coefficient， excellent insulation performance， green non-toxic， and so on. It has become the most promising electronic substrate and packaging material because of the high thermal conductivity. This article introduces the research progress of sintering technology in AlN ceramic， the advantages and disadvantages of several common methods， including adding sintering aids， hot-press sintering， spark plasma sintering， and microwave sintering. Finally， opinions on the development tendency of the AlN ceramics sintered at low-temperature are given.

Key Words： AlN; Sintering technologies; Thermal conductivity; Sintering temperature

元器件越來越小型化、集成化、大功率化，因散熱性能不佳而導致芯片過熱甚至燒毀，已成為微波集成電路最主要的失效形式。散熱性能良好的基板和封裝材料是保證器件可靠性和穩(wěn)定性的重要前提。BeO熱導率性能雖然優(yōu)異，但其生產(chǎn)原料昂貴，且制備過程中有毒，長時間吸入會引起慢性鈹肺病。AlN陶瓷的理論熱導率可達320 W/m·K，與BeO相當，并且原料價格便宜。它還具有熱膨脹系數(shù)低且與硅相匹配，優(yōu)良的絕緣性能，低介電常數(shù)和介電損耗小，環(huán)保無毒等特點，已成為目前最理想的新一代基板和電子封裝材料。世界范圍內普遍認為AlN陶瓷取代BeO是科技發(fā)展的必然趨勢。

1? AlN陶瓷存在問題

AlN穩(wěn)定結構為六方纖鋅礦，屬于P63mc點群空間。氮化鋁屬于共價化合物，其熱傳導是依靠晶格振動來實現(xiàn)。晶格振動的能量是量子化的，熱傳導可以看作連續(xù)性的非諧振彈性波通過聲子或熱能與聲子相互作用的量子來傳播。氧與AlN有較強的親合力，它會固溶到AlN的點陣中，近而形成鋁空位。晶格呈現(xiàn)出非諧性，影響散射聲子，引發(fā)熱導率惡化。另外，AlN熔點大于2 200 ℃，原子自擴散系數(shù)小，難以致密燒結，氣孔會降低聲子平均自由程。盡管氮化鋁的理論熱導率較為理想，但由于雜質和缺陷的存在使實際產(chǎn)品的熱導率遠達不到理論值。要想提高熱導率，兩個關鍵難題必須解決：一是降低氧雜質原子的存在;二是實現(xiàn)致密燒結。該文對AlN陶瓷燒結技術研究方面取得的成果進行了綜述，并就低溫燒結發(fā)展趨勢提出了一些看法。

2? AlN陶瓷燒結技術進展

2.1 添加助燒劑

對于陶瓷致密燒結，添加助燒劑無疑是最為經(jīng)濟、有效的方法。AlN陶瓷可選用的燒結助劑有CaO、Li2O、B2O3、Y2O3、CaF2、CaC2以及CeO2等[1]。這些材料在燒結過程發(fā)揮著雙重作用，首先與表面的Al2O3結合生成液相鋁酸鹽，在粘性流動作用下，加速傳質，晶粒周圍被液相填充，原有的粉料相互接觸角度得以調整，填實或者排出部分氣孔，促進燒結。同時助燒劑可與氧反應，降低晶格氧含量。純氮化鋁在1 900 ℃保溫8 h后，氣孔的存在使熱導率僅為114 W/m·K。加入4 wt.%的Y2O3后，該參數(shù)提高至218 W/m·K。通過多組元協(xié)同作用，可近一步實現(xiàn)AlN陶瓷低溫燒結。比如Dy2O3-CaF2為助燒劑，陶瓷燒結溫度能降至1 800 ℃，熱導率保持在169 W/m·K。而以Dy2O3-Li2O-CaO、Y2O3-CaO-Li2O三元物為助燒劑，1 600 ℃均可致密，但熱導率分別為163 W/m·K、135 W/m·K。還有以MgO-CaO-Al2O3-SiO2玻璃為助燒劑，可熱導率不及原來1/2[2]。