高导热AlN陶瓷基板的制备技术研究

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微电子信息技术、大规模集成电路(LSI)、多芯片组件(MCM)和微机电系统(MENS)等技术的迅速发展对电子整机的要求越来越高,越来越迫切,促使它们朝着微型化、便携式、高性能等方向发展。高密度集成是实现上述功能最有效的解决方案,而实现高密度集成的关键是解决元器件的散热问题,采用高导热基板是实现微电路散热最有效的方法之一。AlN陶瓷具有热导率高(理论上可达320W/(m·K)),低的介电常数(1MHz下约为8.9),其线膨胀系数与Si接近(20-400℃时,AlN:4.3×10-6℃-1,Si:3.4×10-6℃-1),电绝缘性优良,耐电击穿强度优良,机械性能好且安全无毒等优异的综合性能;同时,AlN陶瓷克服了Be O(6.3×10-6℃-1)、Al2O3(7.1×10-6℃-1)等由于热膨胀系数与Si不匹配而造成的基板与Si晶片之间的热失配现象,已经成为混合集成电路、微波功率器件、半导体器件、大规模集成系统等最理想的电子封装材料,在这些领域得到越来越广泛的应用。AlN是强共价键化合物,烧结温度较高,需添加烧结助剂,降低烧结温度,实现AlN烧结致密化。而AlN陶瓷烧结性能与其制备工艺、原料的性能密切相关。本文从理论上探讨了AlN粉体的O含量、杂质含量、形貌、粒径大小和分布均匀性、比表面积等因素对AlN陶瓷基板性能的影响。在此基础上,以5 wt%Y2O3作为烧结助剂,以流延成型及干压成型方式制备AlN生瓷片,经1800℃烧结后,前者制备的AlN陶瓷密度为3.314 g/cm~3,抗弯强度为459.8 MPa,热导率为174.2W/(m·K);而后者制备的AlN陶瓷密度为3.296 g/cm~3,抗弯强度为382.9 MPa,热导率为186.4 W/(m·K)。两种成型方法制备的AlN陶瓷致密化程度均较高,但以流延成型的方法制备的AlN陶瓷具有更好的力学性能,以干压成型的方法制备的AlN陶瓷具有更高的热学性能。烧结是影响AlN陶瓷致密化程度、力学与热学性能、晶粒尺寸及分布均匀性以及第二相的组成、含量及分布等结构特征的关键因素之一。不仅如此,AlN陶瓷基板的配料、成型、排胶等工艺也是影响其性能的重要因素,优化并选择最佳的工艺参数和流程是制备高导热AlN陶瓷的必要条件。在上述工艺优化的基础上,成功制备出热导率高达240 W/(m·K)的AlN陶瓷基板。
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