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）陶瓷具備優異的綜合性能，是近年來受到廣泛關注的新一代先進陶瓷，具有高熱導率、低介電常數、低介電損耗、優良的電絕緣性，與硅相匹配的熱膨脹系數及無毒性等優點，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多步驟的復雜過程。其中流延法是電子工業用氮化鋁陶瓷基板的主要成型工藝。在這個工藝過程中，涉及到從原材料的處理到最終產品成型的多個環節。例如，要對氮化鋁粉末進行處理，并且要根據不同的燒結工藝需求，準備合適的助劑、添加劑等材料。

在整個制造工藝中，燒結是一個關鍵環節。氮化鋁自擴散系數小，燒結非常困難，常用的燒結工藝包括熱壓燒結、無壓燒結、微波燒結、放電等離子燒結和自蔓延燒結等。不同的燒結工藝有各自的特點，例如熱壓燒結即在一定壓力下燒結陶瓷，可以使加熱燒結和加壓成型同時進行；無壓燒結（常壓燒結），其氮化鋁陶瓷的溫度范圍一般為1600 - 2000℃，適當升高燒結溫度和延長保溫時間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度；微波燒結是一種快速燒結法，利用微波與介質的相互作用產生介電損耗而使坯體整體加熱；放電等離子燒結融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術，具有燒結速度快，晶粒尺寸均勻等特點；自蔓延燒結是在超高壓氮氣下利用自蔓延高溫合成反應直接制備AlN陶瓷致密材料，但由于高溫燃燒反應下原料中的Al易熔融而阻礙氮氣向毛坯內部滲透，難以得到致密度高的AlN陶瓷 。

另外，對于氮化鋁多層高溫共燒陶瓷（HTCC）基板，在制作過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HTCC表面的鎢導體進行表面改性，化學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，通常要加入有機混合溶劑如分散劑及粘結劑、塑性劑等以獲得易于流延成型的漿料特性。除此之外，一般還會加入Y2O3用作在常壓燒結條件下起著燒結助劑的作用。漿料的粘度對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間、有機混合溶劑摻量、分散劑摻量及粘結劑、塑性劑等。所以漿料的配方選擇、工藝控制對陶瓷基板的性能影響十分顯著 。

（二）流延成型

流延成型生產效率高，易于實現生產連續化和自動化，降低成本，實現大批量生產。生產的基板厚度可薄至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點，例如設備工藝簡單，可連續生產；可制備單相或復相陶瓷薄片材料；產品的缺陷小，性能均一，生產效率高，可連續操作；均可大、小批量生產，適于工業生產；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，是壓制或者擠壓成型工藝很難實現的 。

（三）排膠

經流延法制得的基片素坯，由于內含大量的有機物，其內部的孔隙率較大，強度較低。若直接進行燒結，會導致基板產生較強的收縮，基板翹曲，而且在燒結時還會導致坯片的相互粘結，影響基板的成品率和熱導率。為了防止以上缺陷的產生，在1100℃的氮氣氣氛爐中預燒后在進行燒結，可以提高素坯強度，減少孔隙率，得到平整度高、性能良好的AlN基板材料 。

（四）燒結

在經排膠之后，氮化鋁基板將進行高溫燒結。高導熱氮化鋁基片的燒結工藝重點包括燒結方式、燒結助劑的添加、燒結氣氛的控制等。由于AlN屬于共價化合物，自擴散系數小，燒結致密化非常困難，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助劑來促進燒結，但仍需要1800℃以上的燒結溫度。可以通過以下三種途徑獲得致密的高性能氮化鋁陶瓷：使用超細粉；熱壓或等靜壓；引入燒結助劑。如前面提到的，AlN基片較常用的燒結工藝有熱壓燒結、無壓燒結、微波燒結、放電等離子燒結和自蔓延燒結等，其中熱壓燒結是目前制備高熱導率致密化AlN陶瓷的主要工藝 。

（五）后處理（以HTCC為例的表面改性）

對于氮化鋁多層高溫共燒陶瓷（HTCC）基板，在制作過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HTCC表面的鎢導體進行表面改性。化學鍍鎳鈀金是最理想的方案，通過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鍵技術

（一）燒結助劑的選擇與應用

氮化鋁陶瓷自擴散系數小，燒結致密化非常困難，所以燒結助劑的選擇至關重要。通常會使用稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物作為燒結助劑，例如Y2O3等。這些燒結助劑能夠在燒結過程中起到促進物質擴散、降低燒結溫度、提高燒結體致密度等作用。合適的燒結助劑及其添加量需要根據具體的生產要求和工藝條件進行優化選擇。如果燒結助劑的選擇不當或者添加量不合適，可能會導致氮化鋁陶瓷的性能下降，例如熱導率降低、介電性能變差等 。

（二）燒結工藝的控制

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

2. 壓力控制（針對熱壓燒結等工藝） 熱壓燒結需要在一定壓力下進行，壓力的大小會影響燒結體的致密度和性能。合適的壓力能夠使加熱燒結和加壓成型同時進行，促進陶瓷致密化。壓力控制不當可能會導致燒結體出現缺陷，如內部應力不均勻、密度不均勻等問題。

3. 氣氛控制 燒結氣氛也會影響氮化鋁陶瓷的性能。在燒結過程中，氮氣氣氛是常見的選擇。合適的氣氛能夠減少氮化鋁中的氧含量，提高其熱導率等性能。例如在排膠過程中，選擇氮氣氣氛爐進行預燒，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 氮化鋁粉末的質量、純度等因素會影響漿料的性能，進而影響最終基板的性能。同時，燒結助劑、分散劑、粘結劑、塑性劑等添加劑的選擇和配比也非常關鍵。例如，在球磨制漿過程中，Y2O3作為燒結助劑的添加量，以及分散劑、粘結劑、塑性劑等有機混合溶劑的摻量都會影響漿料的粘度，而漿料粘度對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，混合的均勻性是一個關鍵因素。混合不均勻可能會導致局部性能差異，影響基板的質量。混合工藝需要考慮混合設備的類型、混合時間、混合速度等因素，以確保漿料的均勻性。

四、先進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

該成果采用流延成膜、厚膜印制，生瓷疊片，常壓燒結等配套先進工藝，在國內首次比較系統地進行了氮化鋁 - 鎢材料多層高溫共燒陶瓷的各項基礎實驗工作，具有簡化工藝、產品成型隨著力好、成本低等特點 。在這個案例中，流延成膜工藝能夠高效地制備出適合后續工藝的氮化鋁生瓷片，厚膜印制可以將設計好的電路精確地制作到生瓷片上，生瓷疊片則是實現多層結構的關鍵步驟，常壓燒結在合適的溫度等條件下保證了產品的最終性能。

（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。其內部采用先進加工工藝，并且提供多種表面處理方式，如AF = 燒成狀態、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，還提供改進的公差、表面處理和替代尺寸。此外，還提供標準和定制基板，標準方塊有25.4mm、50.8mm、101.6mm和114.3mm（1?、2?、4?、4.5?），標準圓形有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、產品尺寸規格等方面進行了優化和創新，以滿足不同客戶的需求。

五、氮化鋁共燒基板制造工藝的優化方法

（一）優化瓷料配方

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

2. 優化粉末原料特性 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，采用更先進的氮化鋁粉末制備方法，如化學氣相沉積等方法制備的粉末可能具有更好的性能，可以提高基板的質量。

（二）改進排膠工藝

1. 優化排膠溫度曲線 研究不同溫度下有機物的分解情況，制定更合理的排膠溫度曲線。例如，在1100℃的氮氣氣氛爐中預燒是一種常見的排膠方式，但可以進一步研究是否可以通過調整溫度上升的速率、在不同階段設置不同的溫度等方式來更有效地去除有機物，減少基板的缺陷。

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

（三）提高金屬化工藝質量（以多層共燒為例）

1. 優化導體漿料性能 對于多層共燒氮化鋁陶瓷中使用的導體漿料（如鎢漿料），研究如何提高其性能。例如，改善其流動性、附著力等性能，以便在印刷電路等過程中能夠更好地實現設計要求，提高電路的精度和可靠性。

2. 改進印刷、疊片層壓工藝 在印刷電路時，采用更先進的印刷技術，提高印刷的精度和均勻性。在疊片層壓過程中，優化壓力、溫度等工藝參數，保證層間的結合質量，減少層間缺陷，提高多層共燒基板的整體性能。

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