氮化鋁共燒基板制造工藝概述

一、氮化鋁共燒基板制造工藝介紹

氮化鋁（AlN）陶瓷具備優(yōu)異的綜合性能，是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的新一代先進(jìn)陶瓷，具有高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、低介電損耗、優(yōu)良的電絕緣性，與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)及無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為高密度、大功率和高速集成電路基板和封裝的理想材料 。

氮化鋁共燒基板制造工藝是一個(gè)多步驟的復(fù)雜過(guò)程。其中流延法是電子工業(yè)用氮化鋁陶瓷基板的主要成型工藝。在這個(gè)工藝過(guò)程中，涉及到從原材料的處理到最終產(chǎn)品成型的多個(gè)環(huán)節(jié)。例如，要對(duì)氮化鋁粉末進(jìn)行處理，并且要根據(jù)不同的燒結(jié)工藝需求，準(zhǔn)備合適的助劑、添加劑等材料。

在整個(gè)制造工藝中，燒結(jié)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氮化鋁自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)非常困難，常用的燒結(jié)工藝包括熱壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)和自蔓延燒結(jié)等。不同的燒結(jié)工藝有各自的特點(diǎn)，例如熱壓燒結(jié)即在一定壓力下燒結(jié)陶瓷，可以使加熱燒結(jié)和加壓成型同時(shí)進(jìn)行；無(wú)壓燒結(jié)（常壓燒結(jié)），其氮化鋁陶瓷的溫度范圍一般為1600 - 2000℃，適當(dāng)升高燒結(jié)溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度；微波燒結(jié)是一種快速燒結(jié)法，利用微波與介質(zhì)的相互作用產(chǎn)生介電損耗而使坯體整體加熱；放電等離子燒結(jié)融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術(shù)，具有燒結(jié)速度快，晶粒尺寸均勻等特點(diǎn)；自蔓延燒結(jié)是在超高壓氮?dú)庀吕米月痈邷睾铣煞磻?yīng)直接制備AlN陶瓷致密材料，但由于高溫燃燒反應(yīng)下原料中的Al易熔融而阻礙氮?dú)庀蛎鲀?nèi)部滲透，難以得到致密度高的AlN陶瓷 。

另外，對(duì)于氮化鋁多層高溫共燒陶瓷（HTCC）基板，在制作過(guò)程中需要使用耐高溫的鎢（W）漿料，而鎢本身不具有可焊性和可鍵合性，因此，必須對(duì)HTCC表面的鎢導(dǎo)體進(jìn)行表面改性，化學(xué)鍍鎳鈀金是最理想的方案，這樣可以使其具有可焊性和可鍵合性，便于電子裝配 。

二、氮化鋁共燒基板制造工藝步驟

（一）球磨制漿

在氮化鋁漿料制備中，通常要加入有機(jī)混合溶劑如分散劑及粘結(jié)劑、塑性劑等以獲得易于流延成型的漿料特性。除此之外，一般還會(huì)加入Y2O3用作在常壓燒結(jié)條件下起著燒結(jié)助劑的作用。漿料的粘度對(duì)基板的性能有重要的影響，而影響漿料粘度的因素有研磨時(shí)間、有機(jī)混合溶劑摻量、分散劑摻量及粘結(jié)劑、塑性劑等。所以漿料的配方選擇、工藝控制對(duì)陶瓷基板的性能影響十分顯著 。

（二）流延成型

流延成型生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動(dòng)化，降低成本，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。生產(chǎn)的基板厚度可薄至10μm以下，厚可至1mm以上。與其他成型工藝相比，流延成型具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，可連續(xù)生產(chǎn)；可制備單相或復(fù)相陶瓷薄片材料；產(chǎn)品的缺陷小，性能均一，生產(chǎn)效率高，可連續(xù)操作；均可大、小批量生產(chǎn)，適于工業(yè)生產(chǎn)；非常適用于大型薄板的陶瓷部件的制備，這是流延成型最大的特點(diǎn)，是壓制或者擠壓成型工藝很難實(shí)現(xiàn)的 。

（三）排膠

經(jīng)流延法制得的基片素坯，由于內(nèi)含大量的有機(jī)物，其內(nèi)部的孔隙率較大，強(qiáng)度較低。若直接進(jìn)行燒結(jié)，會(huì)導(dǎo)致基板產(chǎn)生較強(qiáng)的收縮，基板翹曲，而且在燒結(jié)時(shí)還會(huì)導(dǎo)致坯片的相互粘結(jié)，影響基板的成品率和熱導(dǎo)率。為了防止以上缺陷的產(chǎn)生，在1100℃的氮?dú)鈿夥諣t中預(yù)燒后在進(jìn)行燒結(jié)，可以提高素坯強(qiáng)度，減少孔隙率，得到平整度高、性能良好的AlN基板材料 。

（四）燒結(jié)

在經(jīng)排膠之后，氮化鋁基板將進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。高導(dǎo)熱氮化鋁基片的燒結(jié)工藝重點(diǎn)包括燒結(jié)方式、燒結(jié)助劑的添加、燒結(jié)氣氛的控制等。由于AlN屬于共價(jià)化合物，自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)致密化非常困難，通常需要使用稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物作為燒結(jié)助劑來(lái)促進(jìn)燒結(jié)，但仍需要1800℃以上的燒結(jié)溫度。可以通過(guò)以下三種途徑獲得致密的高性能氮化鋁陶瓷：使用超細(xì)粉；熱壓或等靜壓；引入燒結(jié)助劑。如前面提到的，AlN基片較常用的燒結(jié)工藝有熱壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)和自蔓延燒結(jié)等，其中熱壓燒結(jié)是目前制備高熱導(dǎo)率致密化AlN陶瓷的主要工藝 。

（五）后處理（以HTCC為例的表面改性）

對(duì)于氮化鋁多層高溫共燒陶瓷（HTCC）基板，在制作過(guò)程中使用了耐高溫但不具有可焊性和可鍵合性的鎢（W）漿料，所以需要對(duì)HTCC表面的鎢導(dǎo)體進(jìn)行表面改性?；瘜W(xué)鍍鎳鈀金是最理想的方案，通過(guò)這種方式使其具有可焊性和可鍵合性，便于電子裝配 。

三、氮化鋁共燒基板制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)

（一）燒結(jié)助劑的選擇與應(yīng)用

氮化鋁陶瓷自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)致密化非常困難，所以燒結(jié)助劑的選擇至關(guān)重要。通常會(huì)使用稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物作為燒結(jié)助劑，例如Y2O3等。這些燒結(jié)助劑能夠在燒結(jié)過(guò)程中起到促進(jìn)物質(zhì)擴(kuò)散、降低燒結(jié)溫度、提高燒結(jié)體致密度等作用。合適的燒結(jié)助劑及其添加量需要根據(jù)具體的生產(chǎn)要求和工藝條件進(jìn)行優(yōu)化選擇。如果燒結(jié)助劑的選擇不當(dāng)或者添加量不合適，可能會(huì)導(dǎo)致氮化鋁陶瓷的性能下降，例如熱導(dǎo)率降低、介電性能變差等 。

（二）燒結(jié)工藝的控制

1. 溫度控制 不同的燒結(jié)工藝需要精確的溫度控制。如無(wú)壓燒結(jié)的溫度范圍一般在1600 - 2000℃，在這個(gè)范圍內(nèi)適當(dāng)升高溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度。而熱壓燒結(jié)在一定壓力下進(jìn)行，溫度等條件也需要嚴(yán)格控制，例如以25MPa高壓，1700℃下燒結(jié)4h便制得了密度為3.26g/cm3、熱導(dǎo)率為200W/ (m.K)的AlN陶瓷燒結(jié)體，AlN晶格氧含量為0.49wt%，比1800℃下燒結(jié)8h得到的AlN燒結(jié)體的晶格氧含量（1.25wt%）低了60%多，熱導(dǎo)率得以提高 。

2. 壓力控制（針對(duì)熱壓燒結(jié)等工藝） 熱壓燒結(jié)需要在一定壓力下進(jìn)行，壓力的大小會(huì)影響燒結(jié)體的致密度和性能。合適的壓力能夠使加熱燒結(jié)和加壓成型同時(shí)進(jìn)行，促進(jìn)陶瓷致密化。壓力控制不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)體出現(xiàn)缺陷，如內(nèi)部應(yīng)力不均勻、密度不均勻等問(wèn)題。

3. 氣氛控制 燒結(jié)氣氛也會(huì)影響氮化鋁陶瓷的性能。在燒結(jié)過(guò)程中，氮?dú)鈿夥帐浅Ｒ?jiàn)的選擇。合適的氣氛能夠減少氮化鋁中的氧含量，提高其熱導(dǎo)率等性能。例如在排膠過(guò)程中，選擇氮?dú)鈿夥諣t進(jìn)行預(yù)燒，可以減少基板的缺陷，提高成品率和性能 。

（三）漿料的制備與控制

1. 原料的選擇與配比 氮化鋁粉末的質(zhì)量、純度等因素會(huì)影響漿料的性能，進(jìn)而影響最終基板的性能。同時(shí)，燒結(jié)助劑、分散劑、粘結(jié)劑、塑性劑等添加劑的選擇和配比也非常關(guān)鍵。例如，在球磨制漿過(guò)程中，Y2O3作為燒結(jié)助劑的添加量，以及分散劑、粘結(jié)劑、塑性劑等有機(jī)混合溶劑的摻量都會(huì)影響漿料的粘度，而漿料粘度對(duì)基板性能有重要影響。

2. 混合工藝 在將氮化鋁粉末與各種添加劑混合制備漿料時(shí)，混合的均勻性是一個(gè)關(guān)鍵因素?；旌喜痪鶆蚩赡軙?huì)導(dǎo)致局部性能差異，影響基板的質(zhì)量。混合工藝需要考慮混合設(shè)備的類型、混合時(shí)間、混合速度等因素，以確保漿料的均勻性。

四、先進(jìn)的氮化鋁共燒基板制造工藝案例

（一）采用流延成膜、厚膜印制等工藝的氮化鋁 - 鎢多層高溫共燒陶瓷技術(shù)

該成果采用流延成膜、厚膜印制，生瓷疊片，常壓燒結(jié)等配套先進(jìn)工藝，在國(guó)內(nèi)首次比較系統(tǒng)地進(jìn)行了氮化鋁 - 鎢材料多層高溫共燒陶瓷的各項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)工作，具有簡(jiǎn)化工藝、產(chǎn)品成型隨著力好、成本低等特點(diǎn) 。在這個(gè)案例中，流延成膜工藝能夠高效地制備出適合后續(xù)工藝的氮化鋁生瓷片，厚膜印制可以將設(shè)計(jì)好的電路精確地制作到生瓷片上，生瓷疊片則是實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟，常壓燒結(jié)在合適的溫度等條件下保證了產(chǎn)品的最終性能。

（二）Innovacera公司的氮化鋁 (AlN) 陶瓷基板制造工藝

Innovacera公司的氮化鋁 (AlN) 陶瓷基板可用于各種金屬化工藝，如薄膜、厚膜、直接粘合銅、活性金屬釬焊和直接鍍銅。其內(nèi)部采用先進(jìn)加工工藝，并且提供多種表面處理方式，如AF = 燒成狀態(tài)、LBS = 雙面研磨（25u” Ra）、PBS = 雙面拋光（2u” Ra）、P1S = 單面拋光（2u” Ra）/第二面研磨，還提供改進(jìn)的公差、表面處理和替代尺寸。此外，還提供標(biāo)準(zhǔn)和定制基板，標(biāo)準(zhǔn)方塊有25.4mm、50.8mm、101.6mm和114.3mm（1?、2?、4?、4.5?），標(biāo)準(zhǔn)圓形有φ101.6mm、φ152.4mm、φ203.2mm、φ304.8mm和φ356mm (4?、6?、8?、12?、14?) 。這表明該公司在氮化鋁基板制造工藝上不僅注重基板的基本性能，還在金屬化工藝、表面處理、產(chǎn)品尺寸規(guī)格等方面進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，以滿足不同客戶的需求。

五、氮化鋁共燒基板制造工藝的優(yōu)化方法

（一）優(yōu)化瓷料配方

1. 調(diào)整燒結(jié)助劑種類和含量 通過(guò)研究不同燒結(jié)助劑對(duì)氮化鋁陶瓷性能的影響，調(diào)整燒結(jié)助劑的種類和含量。例如，可以研究稀土氧化物 (Y_2O3)、堿土金屬氧化物 (CaO)及其復(fù)合添加途徑對(duì)高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷性能的影響，找到最佳的燒結(jié)助劑組合和添加量，以提高氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率、降低雜質(zhì)含量、減少晶界相的含量等 。

2. 優(yōu)化粉末原料特性 改善氮化鋁粉末的純度、粒度分布等特性。使用純度更高、粒度分布更均勻的氮化鋁粉末，可以提高基板的性能。例如，采用更先進(jìn)的氮化鋁粉末制備方法，如化學(xué)氣相沉積等方法制備的粉末可能具有更好的性能，可以提高基板的質(zhì)量。

（二）改進(jìn)排膠工藝

1. 優(yōu)化排膠溫度曲線 研究不同溫度下有機(jī)物的分解情況，制定更合理的排膠溫度曲線。例如，在1100℃的氮?dú)鈿夥諣t中預(yù)燒是一種常見(jiàn)的排膠方式，但可以進(jìn)一步研究是否可以通過(guò)調(diào)整溫度上升的速率、在不同階段設(shè)置不同的溫度等方式來(lái)更有效地去除有機(jī)物，減少基板的缺陷。

2. 采用新型排膠設(shè)備或技術(shù) 探索使用新型的排膠設(shè)備，如具有更精確溫度控制、氣氛控制的設(shè)備，或者采用新的排膠技術(shù)，如微波輔助排膠等技術(shù)，提高排膠的效率和效果，從而提高基板的質(zhì)量。

（三）提高金屬化工藝質(zhì)量（以多層共燒為例）

1. 優(yōu)化導(dǎo)體漿料性能 對(duì)于多層共燒氮化鋁陶瓷中使用的導(dǎo)體漿料（如鎢漿料），研究如何提高其性能。例如，改善其流動(dòng)性、附著力等性能，以便在印刷電路等過(guò)程中能夠更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，提高電路的精度和可靠性。

2. 改進(jìn)印刷、疊片層壓工藝 在印刷電路時(shí)，采用更先進(jìn)的印刷技術(shù)，提高印刷的精度和均勻性。在疊片層壓過(guò)程中，優(yōu)化壓力、溫度等工藝參數(shù)，保證層間的結(jié)合質(zhì)量，減少層間缺陷，提高多層共燒基板的整體性能。

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