氮化铝共烧基板制造工艺概述

一、氮化铝共烧基板制造工艺介绍

氮化铝（AlN）陶瓷具备优异的综合性能，是近年来受到广泛关注的新一代先进陶瓷，具有高热导率、低介电常数、低介电损耗、优良的电绝缘性，与硅相匹配的热膨胀系数及无毒性等优点，使其成为高密度、大功率和高速集成电路基板和封装的理想材料 。

氮化铝共烧基板制造工艺是一个多步骤的复杂过程。其中流延法是电子工业用氮化铝陶瓷基板的主要成型工艺。在这个工艺过程中，涉及到从原材料的处理到最终产品成型的多个环节。例如，要对氮化铝粉末进行处理，并且要根据不同的烧结工艺需求，准备合适的助剂、添加剂等材料。

在整个制造工艺中，烧结是一个关键环节。氮化铝自扩散系数小，烧结非常困难，常用的烧结工艺包括热压烧结、无压烧结、微波烧结、放电等离子烧结和自蔓延烧结等。不同的烧结工艺有各自的特点，例如热压烧结即在一定压力下烧结陶瓷，可以使加热烧结和加压成型同时进行；无压烧结（常压烧结），其氮化铝陶瓷的温度范围一般为1600 - 2000℃，适当升高烧结温度和延长保温时间可以提高氮化铝陶瓷的致密度；微波烧结是一种快速烧结法，利用微波与介质的相互作用产生介电损耗而使坯体整体加热；放电等离子烧结融合等离子活化、热压、电阻加热等技术，具有烧结速度快，晶粒尺寸均匀等特点；自蔓延烧结是在超高压氮气下利用自蔓延高温合成反应直接制备AlN陶瓷致密材料，但由于高温燃烧反应下原料中的Al易熔融而阻碍氮气向毛坯内部渗透，难以得到致密度高的AlN陶瓷 。

另外，对于氮化铝多层高温共烧陶瓷（HTCC）基板，在制作过程中需要使用耐高温的钨（W）浆料，而钨本身不具有可焊性和可键合性，因此，必须对HTCC表面的钨导体进行表面改性，化学镀镍钯金是最理想的方案，这样可以使其具有可焊性和可键合性，便于电子装配 。

二、氮化铝共烧基板制造工艺步骤

（一）球磨制浆

在氮化铝浆料制备中，通常要加入有机混合溶剂如分散剂及粘结剂、塑性剂等以获得易于流延成型的浆料特性。除此之外，一般还会加入Y2O3用作在常压烧结条件下起着烧结助剂的作用。浆料的粘度对基板的性能有重要的影响，而影响浆料粘度的因素有研磨时间、有机混合溶剂掺量、分散剂掺量及粘结剂、塑性剂等。所以浆料的配方选择、工艺控制对陶瓷基板的性能影响十分显著 。

（二）流延成型

流延成型生产效率高，易于实现生产连续化和自动化，降低成本，实现大批量生产。生产的基板厚度可薄至10μm以下，厚可至1mm以上。与其他成型工艺相比，流延成型具有很多优点，例如设备工艺简单，可连续生产；可制备单相或复相陶瓷薄片材料；产品的缺陷小，性能均一，生产效率高，可连续操作；均可大、小批量生产，适于工业生产；非常适用于大型薄板的陶瓷部件的制备，这是流延成型最大的特点，是压制或者挤压成型工艺很难实现的 。

（三）排胶

经流延法制得的基片素坯，由于内含大量的有机物，其内部的孔隙率较大，强度较低。若直接进行烧结，会导致基板产生较强的收缩，基板翘曲，而且在烧结时还会导致坯片的相互粘结，影响基板的成品率和热导率。为了防止以上缺陷的产生，在1100℃的氮气气氛炉中预烧后在进行烧结，可以提高素坯强度，减少孔隙率，得到平整度高、性能良好的AlN基板材料 。

（四）烧结

在经排胶之后，氮化铝基板将进行高温烧结。高导热氮化铝基片的烧结工艺重点包括烧结方式、烧结助剂的添加、烧结气氛的控制等。由于AlN属于共价化合物，自扩散系数小，烧结致密化非常困难，通常需要使用稀土金属氧化物和碱土金属氧化物作为烧结助剂来促进烧结，但仍需要1800℃以上的烧结温度。可以通过以下三种途径获得致密的高性能氮化铝陶瓷：使用超细粉；热压或等静压；引入烧结助剂。如前面提到的，AlN基片较常用的烧结工艺有热压烧结、无压烧结、微波烧结、放电等离子烧结和自蔓延烧结等，其中热压烧结是目前制备高热导率致密化AlN陶瓷的主要工艺 。

（五）后处理（以HTCC为例的表面改性）

对于氮化铝多层高温共烧陶瓷（HTCC）基板，在制作过程中使用了耐高温但不具有可焊性和可键合性的钨（W）浆料，所以需要对HTCC表面的钨导体进行表面改性。化学镀镍钯金是最理想的方案，通过这种方式使其具有可焊性和可键合性，便于电子装配 。

三、氮化铝共烧基板制造工艺的关键技术

（一）烧结助剂的选择与应用

氮化铝陶瓷自扩散系数小，烧结致密化非常困难，所以烧结助剂的选择至关重要。通常会使用稀土金属氧化物和碱土金属氧化物作为烧结助剂，例如Y2O3等。这些烧结助剂能够在烧结过程中起到促进物质扩散、降低烧结温度、提高烧结体致密度等作用。合适的烧结助剂及其添加量需要根据具体的生产要求和工艺条件进行优化选择。如果烧结助剂的选择不当或者添加量不合适，可能会导致氮化铝陶瓷的性能下降，例如热导率降低、介电性能变差等 。

（二）烧结工艺的控制

1. 温度控制 不同的烧结工艺需要精确的温度控制。如无压烧结的温度范围一般在1600 - 2000℃，在这个范围内适当升高温度和延长保温时间可以提高氮化铝陶瓷的致密度。而热压烧结在一定压力下进行，温度等条件也需要严格控制，例如以25MPa高压，1700℃下烧结4h便制得了密度为3.26g/cm³、热导率为200W/ (m.K)的AlN陶瓷烧结体，AlN晶格氧含量为0.49wt%，比1800℃下烧结8h得到的AlN烧结体的晶格氧含量（1.25wt%）低了60%多，热导率得以提高 。

2. 压力控制（针对热压烧结等工艺） 热压烧结需要在一定压力下进行，压力的大小会影响烧结体的致密度和性能。合适的压力能够使加热烧结和加压成型同时进行，促进陶瓷致密化。压力控制不当可能会导致烧结体出现缺陷，如内部应力不均匀、密度不均匀等问题。

3. 气氛控制 烧结气氛也会影响氮化铝陶瓷的性能。在烧结过程中，氮气气氛是常见的选择。合适的气氛能够减少氮化铝中的氧含量，提高其热导率等性能。例如在排胶过程中，选择氮气气氛炉进行预烧，可以减少基板的缺陷，提高成品率和性能 。

（三）浆料的制备与控制

1. 原料的选择与配比 氮化铝粉末的质量、纯度等因素会影响浆料的性能，进而影响最终基板的性能。同时，烧结助剂、分散剂、粘结剂、塑性剂等添加剂的选择和配比也非常关键。例如，在球磨制浆过程中，Y2O3作为烧结助剂的添加量，以及分散剂、粘结剂、塑性剂等有机混合溶剂的掺量都会影响浆料的粘度，而浆料粘度对基板性能有重要影响。

2. 混合工艺 在将氮化铝粉末与各种添加剂混合制备浆料时，混合的均匀性是一个关键因素。混合不均匀可能会导致局部性能差异，影响基板的质量。混合工艺需要考虑混合设备的类型、混合时间、混合速度等因素，以确保浆料的均匀性。

四、先进的氮化铝共烧基板制造工艺案例

（一）采用流延成膜、厚膜印制等工艺的氮化铝 - 钨多层高温共烧陶瓷技术

该成果采用流延成膜、厚膜印制，生瓷叠片，常压烧结等配套先进工艺，在国内首次比较系统地进行了氮化铝 - 钨材料多层高温共烧陶瓷的各项基础实验工作，具有简化工艺、产品成型随着力好、成本低等特点 。在这个案例中，流延成膜工艺能够高效地制备出适合后续工艺的氮化铝生瓷片，厚膜印制可以将设计好的电路精确地制作到生瓷片上，生瓷叠片则是实现多层结构的关键步骤，常压烧结在合适的温度等条件下保证了产品的最终性能。

（二）Innovacera公司的氮化铝 (AlN) 陶瓷基板制造工艺

Innovacera公司的氮化铝 (AlN) 陶瓷基板可用于各种金属化工艺，如薄膜、厚膜、直接粘合铜、活性金属钎焊和直接镀铜。其内部采用先进加工工艺，并且提供多种表面处理方式，如AF = 烧成状态、LBS = 双面研磨（25u” Ra）、PBS = 双面抛光（2u” Ra）、P1S = 单面抛光（2u” Ra）/第二面研磨，还提供改进的公差、表面处理和替代尺寸。此外，还提供标准和定制基板，标准方块有25.4mm、50.8mm、101.6mm和114.3mm（1ʺ、2ʺ、4ʺ、4.5ʺ），标准圆形有φ101.6mm、φ152.4mm、φ203.2mm、φ304.8mm和φ356mm (4ʺ、6ʺ、8ʺ、12ʺ、14ʺ) 。这表明该公司在氮化铝基板制造工艺上不仅注重基板的基本性能，还在金属化工艺、表面处理、产品尺寸规格等方面进行了优化和创新，以满足不同客户的需求。

五、氮化铝共烧基板制造工艺的优化方法

（一）优化瓷料配方

1. 调整烧结助剂种类和含量 通过研究不同烧结助剂对氮化铝陶瓷性能的影响，调整烧结助剂的种类和含量。例如，可以研究稀土氧化物 (Y_2O3)、碱土金属氧化物 (CaO)及其复合添加途径对高导热氮化铝陶瓷性能的影响，找到最佳的烧结助剂组合和添加量，以提高氮化铝陶瓷的热导率、降低杂质含量、减少晶界相的含量等 。

2. 优化粉末原料特性 改善氮化铝粉末的纯度、粒度分布等特性。使用纯度更高、粒度分布更均匀的氮化铝粉末，可以提高基板的性能。例如，采用更先进的氮化铝粉末制备方法，如化学气相沉积等方法制备的粉末可能具有更好的性能，可以提高基板的质量。

（二）改进排胶工艺

1. 优化排胶温度曲线 研究不同温度下有机物的分解情况，制定更合理的排胶温度曲线。例如，在1100℃的氮气气氛炉中预烧是一种常见的排胶方式，但可以进一步研究是否可以通过调整温度上升的速率、在不同阶段设置不同的温度等方式来更有效地去除有机物，减少基板的缺陷。

2. 采用新型排胶设备或技术 探索使用新型的排胶设备，如具有更精确温度控制、气氛控制的设备，或者采用新的排胶技术，如微波辅助排胶等技术，提高排胶的效率和效果，从而提高基板的质量。

（三）提高金属化工艺质量（以多层共烧为例）

1. 优化导体浆料性能 对于多层共烧氮化铝陶瓷中使用的导体浆料（如钨浆料），研究如何提高其性能。例如，改善其流动性、附着力等性能，以便在印刷电路等过程中能够更好地实现设计要求，提高电路的精度和可靠性。

2. 改进印刷、叠片层压工艺 在印刷电路时，采用更先进的印刷技术，提高印刷的精度和均匀性。在叠片层压过程中，优化压力、温度等工艺参数，保证层间的结合质量，减少层间缺陷，提高多层共烧基板的整体性能。

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