本技术涉及晶须材料生长和陶瓷基板制造,介绍了一种创新的氮化铝晶须及高强、高导热陶瓷基板的制备技术。该方法以铝粉为起始材料,利用铵盐作为催化剂,通过一系列工艺步骤实现氮化铝晶须的生长,并进一步制备出具有优异机械性能和热导率的陶瓷基板。
背景技术
氮化铝(AlN)是一种先进的半导体陶瓷材料,由Al和N原子经共价作用结合成四面体结构[AlN4
]。AlN一般属六方晶系(h-AlN),晶格常数a=b=0.311nm,c=0.498nm,具有纤锌矿结构,理论密度为3.26g/cm3
。h-AlN综合理化性质良好,包括极高的热导率(多晶块体70~210W/m·K,单晶可达270~320W/m·K)、较低的热膨胀系数(4.5×10-6
/K),与Si(4×10-6
/K)和SiC(4.7×10-6
/K)匹配良好、优异的电性能(介电强度可达20kV/mm,1MHz介电损耗小于5×10-4
,体积电阻率可达1010
Ω·cm以上)和抗熔融盐侵蚀、无毒性等。鉴于上述优势,AlN逐渐受到国内外诸多研究者的重视,被认为是第三代半导体(SiC、GaN基)集成电路和高频功率模块(如IGBT、MOSFET)的理想基板材料,在新能源汽车、光伏发电阵列、超高速铁路等领域具有巨大应用前景。
然而,随着芯片集成度和运算能力的大幅提升,高功率密度、高开关频率已成为电子器件发展的必然趋势,对电子封装材料提出了更高的要求。为适应功率模块在高频开关时不可避免的热冲击和应力变化,所用的AlN基板在具有高热导率的同时,还需要具有较高的力学强度以保障设备的使用寿命。
目前,关于AlN的合成已有多种技术路径,工业上主要采用直接氮化法和碳热还原法,部分实验室则采用高能球磨、化学气相沉积、溶胶-凝胶、电弧熔炼和微波合成等方法。其中,直接氮化法工艺简单,成本较低,但存在转化率低、反应产物易团聚等问题;碳热还原法产物纯度高,但需要高温长时间反应,且尾气需要特殊处理,成本较高;实验室方法可以定制化合成,但普遍存在产率低、难以放大等问题。虽然近年来的工业发展已基本实现球形AlN的商业化生产,但仍然缺乏快速合成AlN晶须的可控工艺,限制了AlN基板在高载荷条件下的应用。目前AlN晶须的生长(晶须的直径是纳米量级,长度是1~10μm),往往需要催化剂(如,硝酸铁或铁粉)参与,并在高温(1200℃以上)反应才能生成。
同时,商用AlN基板为实现高强度和高热导等性能指标,常添加较大比例的增强剂(>10wt%)和助烧剂(2~5wt%),以及一定量的增塑剂、粘接剂和分散剂,通过流延、冷等静压(100~300MPa)预成形后,在1800~2200℃下高温烧结2~6h,或在1600~1700℃下烧结8~10h,亟需寻求低成本、高效率制备高强度高导热AlN陶瓷基板的技术途径。
实现思路