AIN基材性能优良，为什么成本相对较高？
AIN基材性能优良，为什么成本相对较高？
如今，我们无疑已身处信息技术时代。随着微电子产业的飞速发展，氮化铝（AlN）陶瓷在超大规模集成电路（VLSI）的制造中得到了广泛应用。作为一种高导热陶瓷基板和封装材料，氮化铝陶瓷备受关注。
毋庸置疑，氮化铝具有诸多优势，例如其导热系数是应用最广泛的氧化铝陶瓷的7倍。同时，它还具有介电常数低、电性能优异（可与氧化铝媲美）、热膨胀系数与硅相近、比强度高、密度低且无毒等优点。因此，采用氮化铝陶瓷的电子元件的“轻量化”优势令人艳羡。然而，凡事有利有弊。目前，氮化铝基板面临着一个很大的难题，那就是其高昂的成本在一定程度上制约了其应用推广。
这些成本从何而来？如前所述，氮化铝（AlN）的热导率非常优异（理论值高达320W/(m·K)）。然而，由于氮化铝陶瓷中存在杂质和缺陷，产品的实际热导率远低于理论值。因此，为了尽可能接近理论热导率并凸显氮化铝本身的优势，制造商必须在基板制备的各个环节进行严格把控，以避免明显的性能缺陷。每个工艺环节的改进以及由此导致的“高成本”自然是合乎逻辑的。详情请参见下文分析。
制备氮化铝粉末
首先是原材料。氮化铝粉末是制备最终陶瓷产品的原材料。其纯度、粒径、氧含量以及其他杂质含量对后续产品的导热性、烧结和成型工艺都有重要影响，是决定最终产品性能优劣的关键因素。
氮化铝粉末的合成方法如下：
① 直接氮化法：在高温氮气气氛中，铝粉与氮气直接结合生成氮化铝粉，反应温度一般为 800℃～1200℃。
② 碳热还原法：将 Al2O3 粉末和碳粉的混合粉末在流动的氮气中于高温（1400℃～1800℃）下还原氮化，形成 AlN 粉末。
③ 自蔓延高温合成法：该方法是直接对铝粉进行氮化，充分利用了铝粉直接氮化是强放热反应的特性。将铝粉置于氮气中间，利用铝和氮之间的高化学反应热维持反应进行，从而合成氮化铝。
④ 化学气相沉积法：铝的挥发性化合物与氮气或氨气反应，从气相中沉淀出氮化铝粉末；根据铝源的不同，可分为无机（卤化铝）化学气相沉积和有机（烷基铝）化学气相沉积。
显然，制备高纯度、细粒径、窄粒径分布的氮化铝粉末需要耗费大量成本、工艺复杂、生产效率低下或对设备要求高。这一系列困难导致高品质氮化铝粉末价格不断上涨。
氮化铝的形成
氮化铝粉末的成型工艺有很多种，传统的成型工艺如模压、热压和等静压等均可适用。其中，热压和等静压适用于制备高性能块体氮化铝陶瓷材料，但成本高、生产效率低，无法满足电子行业对氮化铝陶瓷基板日益增长的需求。为了解决这一问题，近年来采用流延成型工艺制备氮化铝陶瓷基板，流延成型也成为电子行业氮化铝陶瓷的主要基础成型工艺。
此外，由于氮化铝粉末具有很强的亲水性，为了减少氮化铝的氧化，或避免在成型过程中与水接触，即需要用有机浆料制备氮化铝陶瓷坯料。然而，由于所用有机溶剂挥发性强，会对环境和人体造成不利影响，并引发环境污染问题；没有必要提高氮化铝粉末的表面耐水解性，例如借助疏水和亲水有机物在氮化铝表面形成涂层，或在一定的氧分压气氛下对氮化铝粉末进行热处理，使其表面形成致密的氧化铝层等。
氮化铝的烧结
氮化铝的烧结工艺较为苛刻，烧结或热压烧结温度通常在1800℃以上。为了实现致密烧结，降低杂质和晶界相含量，简化工艺，降低成本，氮化铝陶瓷烧结工艺的关键点如下：首先，选择合适的烧结工艺和气氛；其次，选择合适的烧结助剂。
1. 烧结工艺
氮化铝的自扩散系数低，烧结难度很大。氮化铝衬底的烧结工艺通常有五种。
① 热压烧结：即在一定压力下烧结陶瓷，可同时实现加热烧结和压力成型，从而获得晶粒细小、相对密度高、力学性能好的陶瓷。
② 无压烧结：烧结工艺简单。常压烧结氮化铝陶瓷的一般温度范围为1600～2000℃。适当提高烧结温度并延长保温时间可以提高氮化铝陶瓷的密度，但强度相对较低。
③ 微波烧结：微波烧结也是一种快速烧结方法，它利用微波与介质之间的相互作用产生介电损耗并加热整个物体。
④ 放电等离子烧结：集等离子体活化、热压、电阻加热等技术于一体，具有烧结速度快、晶粒尺寸均匀等特点，但设备成本高，加工工件尺寸受限。
⑤ 自蔓延烧结：即在超高压氮气气氛下，通过自蔓延高温合成反应直接制备致密的氮化铝陶瓷材料。然而，由于原料中的铝在高温燃烧反应下易熔化，阻碍了氮气向坯体内部的渗透，因此难以获得高密度的氮化铝陶瓷。
在上述五种烧结工艺中，热压烧结是制备高导热致密氮化铝陶瓷的主要工艺。然而，其工艺较为复杂，对设备要求较高，生产效率较低，因此成本自然也较高。
2. 烧结气氛
目前氮化铝陶瓷的烧结气氛有三种：中性气氛、还原气氛和弱还原气氛。通常，中性气氛使用氮气（N₂），还原气氛使用一氧化碳（CO），弱还原气氛使用氢气（H₂）。
在还原气氛下，氮化铝陶瓷的烧结时间和保温时间不宜过长，烧结温度也不宜过高，以防止氮化铝被还原。上述情况在中性气氛下不会出现，因此通常选择在氮气气氛下烧结，以获得性能更高的氮化铝陶瓷。
3. 添加烧结助剂
在氮化铝陶瓷基体的烧结过程中，除了工艺和气氛影响产品性能外，烧结助剂的选择也特别重要。
氮化铝烧结助剂通常为碱金属氧化物和碱土金属氧化物。烧结助剂主要有两个作用：一方面，它们形成低熔点相，实现液相烧结，降低烧结温度，促进生坯致密化；另一方面，高导热性是氮化铝基体的重要性能。由于氮化铝基体中存在氧杂质等各种缺陷，其导热系数低于理论值。添加烧结助剂可以与氧反应，使晶格完整，从而提高导热系数。
用于氮化铝陶瓷烧结的烧结助剂主要包括Y₂O₃、CaO、Yb₂O₃、Sm₂O₃、Li₂O₃、B₂O₃、CaF₂、YF₃、CaC₂等或其混合物。选择多种复合烧结助剂通常比单一烧结助剂获得更好的烧结效果，实现氮化铝的低温烧结，降低能耗，并有利于连续生产。为了找到合适的低温烧结助剂，生产厂家通常需要投入大量时间和精力进行研发，因此这部分成本也会反映在氮化铝基体的价格上。
