隨著半導體的高輸出化不斷發展，對半導體搭載用電路基板提出了更高的要求。除了輕量化更加密集的電路帶來更高的熱量，需要基板材料有良好的導熱能力之外，半導體芯片的進化也對基板材料提出了更高的要求。

例如，SiC作為一種寬禁帶半導體材料，不但擊穿電場強度高、熱穩定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導率高等特點，可以用來制造各種耐高溫的高頻、高效大功率器件，應用于Si器件難以勝任的場合。但SiC器件的工作溫度可達400℃左右，遠遠高于Si器件的150℃工作溫度，因此，就要求半導體搭載用的絕緣基板材料在如此的高溫下也能發揮優異的絕緣特性。

一、氮化鋁基板概要

氮化鋁基板材料熱膨脹系數（4.6×10^-6/K）與SiC芯片熱膨脹系數（4.5×10^-6/K）相近，導熱率系數大（170-230W/m?K），絕緣性能優異，可以適應SiC的應用要求，是搭載SiC半導體的理想基板材料。

以往，氮化鋁基板主要通過如下工藝制備：

在氮化鋁粉末中混合煅燒助劑、粘合劑、增塑劑、分散介質、脫模機等添加劑，通過擠出成型在空氣中或氮等非氧化性氣氛中加熱到350-700℃而將粘合劑去除后（脫脂），在1800-1900℃的氮等非氧化性氣氛中保持0.5-10小時的（煅燒）。

該法制備氮化鋁基板的缺陷：

通過上述工藝制備出來的氮化鋁基板材料，其擊穿電壓在室溫下顯示為30-40kV/mm左右的高絕緣性，但在400℃的高溫下則降低到10kV/mm左右。

下文將為大家分享一種在高溫下具備優異絕緣特性的氮化鋁基板的制備方法。通過該法可制備出耐高溫氮化鋁基板材料具有如下特點：

氮化鋁晶粒平均大小為2-5μm

熱導率為170W/m?K以上

不含枝狀晶界相

在400℃下的擊穿電壓為30kV/mm以上

二、耐高溫氮化鋁基板的制備工藝

1、原料準備

氮化鋁選用高純度且為微粉的“氮化鋁粉末”，一般而言氧質量含量在1.2%以下，碳質量含量為0.04%以下，Fe含量為30ppm以下，Si含量為60ppm以下。氮化鋁粉體的最大粒徑最好控制在20μm以下的氮化鋁粉末。

此處，“氧”基本上屬于雜質，但有防止過分煅燒的作用，因此為了防止煅燒導致的煅燒體強度下降優先選用氧質量含量在0.7%以上的氮化鋁粉末。

此外，在原料中常含有“煅燒助劑”，大多使用稀土金屬化合物、堿土金屬化合物、過渡金屬化合物等。例如可選用氧化釔或氧化鋁等，這些煅燒助劑與氮化鋁粉體形成復合的氧化物液相（例如2Y₂O_3?Al₂O₃,3Y₂O_3?5Al₂O₃等），該液相帶來煅燒體的高密度化，同時，提取氮化鋁晶粒中屬于雜質的氧，以結晶晶界的氧化物進行偏析，從而使氮化鋁基板的導熱率提高。

2、基片成型

利用混合裝置（球磨機、棒磨機或砂磨機等）將煅燒助劑與合格的氮化鋁粉末混合，在混合后得到的原料粉中添加粘合劑后，通過片材成型（流延成型，注塑成型等）工藝得到成型體，進一步將其脫脂。

粘合劑可選用具有表面活性效果的甲基纖維素系或熱降解性優異的丙烯酸脂系站合計

成型片的脫脂方法舉例：將成型片在空氣中或非氧化性氣氛中加熱到300-700℃，將粘合劑除去。脫脂時間需根據成型片尺寸、處理片數適當地決定，通常在1-10小時。

3、煅燒工序

將如上工段中的成型片材進行煅燒得到氮化鋁基板的煅燒體。具體工藝參數見下文。

在該工序中，首先將煅燒爐內壓力設為150Pa以下加熱到1500℃。由此，脫脂體中的殘留碳被除去，以得到具有理想煅燒體組織和熱導率的氮化鋁煅燒體。如果爐內壓力超過150Pa，則不能充分地除去碳，如果溫度超過1500℃進行加熱，氮化鋁晶粒將會有致密化的趨勢，碳的擴散路徑將會被閉合，因此不能充分的除去碳。

隨后，利用非氧化性氣氛，在壓力為0.4MPa以上的加壓氣氛下升溫到1700-1900℃進行保持，由此得到熱導率高、絕緣性能優異的氮化鋁煅燒體。此處，如果在爐內壓力0.4MPa以上的加壓氣氛下進行煅燒，則液相化的煅燒助劑不易揮發，能有效的預制氮化鋁晶粒的空隙產生，能有效的提高氮化鋁基板的絕緣特性；如果煅燒溫度不足1700℃，則由于氮化鋁的晶粒的粒子生長不充分而無法得到致密的的煅燒體組織，導致基板的導熱率下降，；另一方面，如果煅燒溫度超過1900℃，則氮化鋁晶粒過度長大，導致氧化鋁晶粒間的空隙增大，從而導致氮化鋁基板的絕緣性下降。

一般而言，氮化鋁晶粒的平均粒徑在2μm到5μm之間可以有較好的熱導率及機械強度。晶粒過小，致密度下降，則導熱率下降；晶粒過大，則氮化鋁晶粒間隙增大，從而存在絕緣性、機械強度下降的情況。

此處，非氧化性氣氛是指不含氧等氧化性氣體的惰性氣氛，還原氣氛等。

接著，在加壓氣氛下，以10℃/分鐘以下的冷卻速度冷卻到1600℃；在冷卻至1600℃以后，便可以如通常那樣，可以快速冷卻至室溫。

在冷卻過程中，如果冷卻速度過快，由于急劇進行液相的固化，因此氮化鋁晶粒的兩個粒子界面析出枝狀的晶界面（有研究表明枝狀的晶界面會影響基板的高溫絕緣性能），從而使基板材料的高溫絕緣性能變弱。

但是若是以10℃/分鐘以下的冷卻速度進行冷卻晶界相析出從而填埋氮化鋁晶粒存在的空隙，不會引起晶界相彼此的連接，。從而可以預制枝狀晶界相的析出。此外，由于在緩解氮化鋁晶粒間變形的同時析出晶界相，因此得到的氮化鋁基板可以預制在高溫下的微小裂紋的產生，從而使氮化鋁基板的高溫絕緣性能得以提高。

最后，對成品進行檢測及后加工。可按實際要求對基板材料進行冷加工，如拋光，金屬化，打孔等后處理以獲得氮化鋁基板材料。

參考資料：

1、電路基板用氮化鋁基板及其制造方法，電氣化學工業株式會社

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粉體圈 作者：小白