PDF《AlN 陶瓷的性能及应用》

第37 卷第1期现代技术陶瓷Vol.

37 No.

1 2016 年2月Advanced Ceramics February

2016 中图分类号: TB34 文献编号: 1005-1198 (2016) 01-0022-12 文献标识码: A DOI: 10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2016.01.003 AlN 陶瓷的性能及应用 丁利文, 范桂芬, 李镜人, 姚宜峰, 吕文中 华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉

430074 摘要:AlN 陶瓷具有高硬度、与硅相接近的线膨胀系数、高电阻率、低介电常数、低介 电损耗以及无毒、耐高温、耐腐蚀等特性, 力学性能良好, 在电子、机械、复合材料等领域有着 广泛的应用.尤其是因为具有高热导率, AlN 陶瓷已经成为理想的半导体基板和封装材料之一. 本文回顾了 AlN 陶瓷的发展历程, 着重评述了 AlN 陶瓷的制备技术、性能及应用等方面的研究 进展, 并对其面临的技术困难及发展方向进行了展望. 关键词:AlN 陶瓷;

制备工艺;

热导率 随着大功率和超大规模集成电路的发展, 集成电路的高度密集化导致单位面积的电子元器件的 发热量急剧增加, 如果不解决基板的散热问题, 电子元件将难以正常工作. 这样就要求基板材料具有 高的热导率, 同时兼具较高的电阻率. 传统的基板材料有 Al2O3 陶瓷和 BeO 陶瓷, 但是 Al2O3 陶瓷基 板热导率很低 (~

20 W?m?1 ?K?1 ), 线膨胀系数与 Si 不太匹配;

纯度为 99% 以上, 致密度达 99% 以上 的BeO 陶瓷, 其室温下的热导率可达

310 W?m?1 ?K?1 , 但是生产成本高且具有剧毒, 因而限制了它的 推广和应用[1-3] .AlN 陶瓷是一种新型的高导热材料, 其基本性能参数如表

1 为所示.AlN 陶瓷理论 导热率高达

320 W?m?1 ?K?1 (是Al2O3 的5~8倍), 实际使用的 AlN 陶瓷热导率为

180 W?m?1 ?K?1 ~

200 W?m?1 ?K?1 .同时 AlN 陶瓷的硬度较高, 热膨胀系数 (25?C ~ 200?C 时为 4.0 * 10?6 /?C) 与硅接近 (25?C 时为 3.4 * 10?6 /?C), 体电阻率较高 (25?C 时体电阻率大于

1014 ??cm), 介电常数低、介电损耗 小, 此外该材料无毒, 耐高温耐腐蚀, 其综合性能优于氧化铝和氧化铍, 是新一代半导体基片和电子 器件封装的理想材料[3,4] . 对AlN 陶瓷的最早报道见于

1862 年[5] , 当时 AlN 是作为化肥使用.20 世纪

50 年代又作为耐火 材料用于一些金属的熔炼[6] .随着粉末冶金技术的发展以及对 AlN 陶瓷的深入研究, 到20 世纪

70 年代, 氮化铝的制备工艺才日趋成熟[7] .

20 世纪

90 年代以后,科研工作者对 AlN 进行研究, 通过添加 ??????????????? 收稿日期: 2015?12?21 收到修改稿日期: 2016?02?02 基金项目: 国家自然科学基金 (61201051);

国家科技重大专项02专项 (2013ZX02104-001-002). 第一作者: 丁利文 (1992 ?), 女, 湖北武汉人, 硕士研究生.E-mail: [email protected]. 通讯作者: 吕文中 (1968 ?), 男, 湖北武汉人, 教授.E-mail: [email protected]. 第1期《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics, 2016,

37 (1): 22?33 ?

23 ? 一些烧结助剂可以降低 AlN 陶瓷的烧结温度, 进而便出现了高质量的 AlN 基片和封装材料, 而且产 品稳定性逐步提高[8] (图1为高功率应用的氮化铝陶瓷基板和封装[9,10] ).此外, AlN 陶瓷在耐火材料 制备、坩埚的表面防护、结构材料的性能增强等方面也得到应用.高纯的 AlN 陶瓷呈透明状, 还可 以作为光学器件之用 (图2) [11] . 本文对 AlN 陶瓷的制备技术、应用以及性 能研究进行了综述, 并对目前 AlN 陶瓷在制备 技术方面存在的困难作了简单的总结和展望, 以期对 AlN 陶瓷的研究及应用起到促进作用.