氮化鋁與氮化鋁陶瓷的研究和應用
  氮化鋁(AlN)是一種綜合性能優良新型陶瓷材料,具有優良的熱傳導性,可靠的電絕緣性,低的介電常數和介電損耗,無毒以及與硅相匹配的熱膨脹系數等一系列優良特性,被認為是**高集程度半導體基片和電子器件封裝的理想材料,受到了國內外研究者的廣泛重視.在理論上,AlN的熱導率為320W/(m),工業上實際制備的多晶氮化鋁的熱導率也可達100~250W/(m),該數值是傳統基片材料氧化鋁熱導率的5倍~10倍,接近于氧化鈹的熱導率,但由于氧化鈹有劇毒,在工業生產中逐漸被停止使用。與其它幾種陶瓷材料相比較,氮化鋁陶瓷綜合性能優良,非常適用于半導體基片和結構封裝材料,在電子工業中的應用潛力非常巨大。

  高電阻率、高熱導率和低介電常數是集成電路對封裝用基片的**基本要求。封裝用基片還應與硅片具有良好的熱匹配、易成型、高表面平整度、易金屬化、易加工、低成本等特點和一定的力學性能。大多數陶瓷是離子鍵或共價鍵**的材料,具有優異的綜合性能,是電子封裝中常用的基片材料,具有較高的絕緣性能和優異的高頻特性,同時線膨脹系數與電子元器件非常相近,化學性能非常穩定且熱導率高。長期以來,絕大多數大功率混合集成電路的基板材料一直沿用A1203和BeO陶瓷,但A1203基板的熱導率低,熱膨脹系數和Si不太匹配;BeO雖然具有優良的綜合性能,但其較高的生產成本和劇毒的缺點限制了它的應用推廣。因此,從性能、成本和環保等因素考慮,二者已不能**滿足現代電子功率器件發展的需要。

  電子薄膜材料是微電子技術和光電子技術的基礎,因而對各種新型電子薄膜材料的研究成為眾多科研工作者的關注熱點。AlN于19世紀60年代被人們發現,可作為電子薄膜材料,并具有廣泛的應用。近年來,以ⅢA族氮化物為代表的寬禁帶半導體材料和電子器件發展迅猛,被稱為繼以Si為代表的**代半導體和以GaAs為代表的第二代半導體之后的第三代半導體。A1N作為典型的ⅢA族氮化物得到了越來越多國內外科研人員的重視。目前,各國競相投入大量的人力、物力對AlN薄膜進行研究工作。由于A1N有諸多優異性能,帶隙寬、極化強,禁帶寬度為6.2eV,使其在機械、微電子、光學,以及電子元器件、聲表面波器件(SAW)制造、高頻寬帶通信和功率半導體器件等領域有著廣闊的應用前景。AlN的多種優異性能決定了其多方面應用,作為壓電薄膜,已經被廣泛應用;作為電子器件和集成電路的封裝、介質隔離和絕緣材料,有著重要的應用前景;作為藍光、紫外發光材料也是目前的研究熱點。

  當前為了改善陶瓷材料脆性的弱點,開展了許多研究丁作。其中通過添加第二相、第三相顆粒形成復相陶瓷也成為改善陶瓷材料韌性的蓖嬰手段,此方法與添加晶須、纖維等方法相比,具有價格低廉、容易制備等特點。碳化硅材料由丁其高硬度,高溫強度,耐磨,耐腐蝕,密度比較小等優良性能,在機械、化工、能源和軍工方面已經獲得大量應用。但是由于其室溫強度低以及韌性不足而使其應用受到一定的限制。為提高碳化硅陶瓷材料的強度與韌性,借鑒金屬彌散強化理論采用第二相粒子的添加方法已經取得一些成績。例如SiC/TiC、Sic/A1203和SiC/TlB等。

  氮化鋁(AlN)具有高的熱導率(理論熱導率為320W/(m?K),實際值可達260W/(m?K),為氧化鋁陶瓷的10倍~15倍)、低的相對介電常數(約為8.8)、可靠的電絕緣性(電阻率>1016Q?m-1)、耐高溫、耐腐蝕、無毒、良好的力學性能以及與硅相匹配的熱膨脹系數(20℃~500℃,4.6×10-6K-1)等一系列優良性能,在許多高技術領域的應用越來越廣泛,這其中很多情況下要求AlN為異形件和微型件,但是傳統的模壓和等靜壓工藝無法制備出復雜形狀的陶瓷零部件,加上AlN陶瓷材料所固有的韌性低、脆性大、難于加工的缺點,使得用傳統機械加工的方法很難制備出復雜形狀的AlN陶瓷零部件。為了充分發揮AlN的性能優勢,拓寬它的應用范圍,解決好AlN陶瓷的復雜形狀成形技術問題是其中非常關鍵的一環。