Buono ma costoso, perché il substrato in nitruro di alluminio costa di più?

Oggi è senza dubbio arrivata l'era della tecnologia dell'informazione. Il rapido sviluppo dell'industria microelettronica ha reso la ceramica al nitruro di alluminio un successo immediato nella produzione di circuiti integrati su larga scala. E stanno attirando l'attenzione come substrati ceramici e materiali di imballaggio altamente termoconduttivi.

La conduttività termica di AlN è attualmente la ceramica Al2O3 più utilizzata fino a sette volte, mentre la costante dielettrica bassa, con l'allumina rivaleggia con le eccellenti proprietà elettriche, l'elevata resistenza, la bassa densità e la non tossicità. Ma ci sono vantaggi e perdite, l’attuale substrato di nitruro di alluminio si trova ad affrontare un dilemma più ampio, ovvero il costo che in una certa misura influisce sulla promozione della sua applicazione.

Allora da dove vengono questi costi? Come accennato, l'AlN ha un'eccezionale conduttività termica, ma a causa delle impurità e dei difetti della ceramica, la conduttività termica del prodotto è lontana dal valore teorico.

Pertanto, per avvicinarsi il più possibile alla conduttività termica teorica ed evidenziare i vantaggi dell'AlN stesso, i produttori devono prestare attenzione nella preparazione per evitare evidenti carenze prestazionali. Ogni processo di eccellenza, quindi comporta costi elevati.

Preparazione della polvere di AlN

Come materia prima per la preparazione dei prodotti ceramici finali, la purezza, la dimensione delle particelle, il contenuto di ossigeno e altre impurità hanno un impatto importante sulla conduttività termica, sul processo di sinterizzazione e di formatura. E sono la pietra angolare dell'eccellente prestazione dei prodotti finali.

Esistono diversi metodi di sintesi delle polveri AlN come segue:

① Metodo di nitrurazione diretta: nell'atmosfera di azoto ad alta temperatura, la polvere di alluminio viene combinata chimicamente direttamente con l'azoto per produrre polvere di nitruro di alluminio e la temperatura di reazione è generalmente compresa tra 800 ℃ ~ 1200 ℃.

② Metodo di riduzione termica del carbonio: la miscela di polvere di Al2O3 e polvere di carbonio ad alta temperatura (1400℃~1800℃) nel flusso della reazione di nitrurazione di riduzione del gas di azoto per produrre polvere di AlN.

③ Metodo di sintesi ad alta temperatura di autopropagazione: è la nitrurazione diretta della polvere di alluminio, sfruttando appieno le caratteristiche della nitrurazione diretta della polvere di alluminio come una forte reazione esotermica, la polvere di alluminio nel punto di azoto quindi, l'uso di elevato calore di reazione chimica tra alluminio e azoto per mantenere la reazione da sola, la sintesi di AlN.

④Metodo di deposizione chimica del vapore: utilizzo di composti volatili di alluminio e reazione del gas di azoto o ammoniaca, precipitazione dalla fase gassosa della polvere di nitruro di alluminio. Secondo la scelta della fonte di alluminio, divisa in metodo di deposizione chimica da vapore inorganica e organica.

Ovviamente, il processo richiesto per ottenere elevata purezza, granulometria fine e distribuzione granulometrica ristretta della polvere di AlN è costoso, oppure il processo di preparazione è complicato, l'efficienza produttiva è bassa, oppure l'attrezzatura richiede condizioni elevate, e la conseguenza di questa serie di la difficoltà è il prezzo elevato della polvere di nitruro di alluminio di qualità.

Formazione di AlN

Esistono vari processi di stampaggio per la polvere AlN e sono applicabili processi di stampaggio tradizionali come stampaggio, pressatura a caldo e pressatura isostatica. Tra questi, la pressatura a caldo e la pressatura isostatica sono adatte per la preparazione di materiali ceramici in nitruro di alluminio sfuso ad alte prestazioni, ma il costo elevato e la bassa efficienza produttiva non possono soddisfare la crescente domanda di substrato ceramico in nitruro di alluminio nell'industria elettronica. Per risolvere questo problema, recentemente le persone utilizzano il metodo di colata a flusso per formare substrati ceramici di nitruro di alluminio. Il metodo di fusione è diventato anche il principale processo di stampaggio per le ceramiche al nitruro di alluminio nell'industria elettronica.

Inoltre, a causa della forte idrofilicità della polvere di AlN, per ridurre l'ossidazione, il contatto con l'acqua dovrebbe essere evitato il più possibile durante il processo di stampaggio, il che significa che i grezzi ceramici di nitruro di alluminio devono essere preparati utilizzando un impasto organico. Ma poiché il solvente organico utilizzato ha una forte volatilità, causerà effetti negativi sull’ambiente e sul corpo umano. Oppure migliorare la resistenza superficiale all'idrolisi della polvere di AlN, come la formazione di strati di rivestimento sulla superficie di AlN con l'aiuto di sostanze organiche idrofobiche e idrofile, o il trattamento termico in un'atomosfera a pressione parziale di ossigeno per formare uno strato denso di ossido di alluminio su la sua superficie, ecc.

Sinterizzazione di AlN

Il processo di sinterizzazione del nitruro di alluminio è relativamente duro, la temperatura di sinterizzazione o pressatura a caldo è spesso fino a 1800 ℃ o più, sia per ottenere una sinterizzazione densa, ridurre il contenuto di impurità e la fase al contorno del grano, ma anche per semplificare il processo, ridurre i costi, nel processo di sinterizzazione della ceramica AlN chiave da fare: in primo luogo, scegliere il processo di sinterizzazione e l'atmosfera appropriati. In secondo luogo, scegliere gli additivi per sinterizzazione appropriati.

1.Processo di sinterizzazione

Il processo di sinterizzazione dei substrati AlN è molto difficile a causa del suo basso coefficiente di autodiffusione.

① Sinterizzazione a pressione calda: la sinterizzazione della ceramica sotto una certa pressione può effettuare contemporaneamente la sinterizzazione del riscaldamento e la formatura pressurizzata, in modo da ottenere grana fine, elevata densità relativa e buone proprietà meccaniche della ceramica.

② Nessuna sinterizzazione a pressione: il processo di sinterizzazione è semplice, l'intervallo di temperatura generale della ceramica al nitruro di alluminio per sinterizzazione a pressione atmosferica è di 1600-2000 ℃. L'aumento appropriato della temperatura di sinterizzazione e il prolungamento del tempo di mantenimento possono migliorare la densità della ceramica al nitruro di alluminio, ma la resistenza è relativamente bassa.

③ Sinterizzazione a microonde: anche la sinterizzazione a microonde è un metodo di sinterizzazione veloce, che utilizza l'interazione tra le microonde e il mezzo per produrre perdite dielettriche e il riscaldamento complessivo del metodo di sinterizzazione del grezzo.

④ Sinterizzazione al plasma a scarica: incorpora l'attivazione del plasma, la pressatura a caldo, il riscaldamento a resistenza e altre tecnologie. Ha le caratteristiche di un'elevata velocità di sinterizzazione e di una granulometria uniforme, ma il costo dell'attrezzatura è elevato e la dimensione del pezzo lavorato è limitata.

⑤Sinterizzazione di autopropagazione: le ceramiche AlN dense vengono preparate direttamente mediante reazione di sintesi ad alta temperatura di autopropagazione sotto gas di azoto a pressione ultraelevata. Tuttavia, è difficile ottenere ceramiche AlN dense a causa della reazione di combustione ad alta temperatura in cui l'Al presente nella materia prima si scioglie facilmente e impedisce all'azoto di penetrare nel pezzo grezzo.

Tra i cinque processi di sinterizzazione sopra menzionati, la sinterizzazione con pressatura a caldo è il processo principale per la preparazione di ceramiche AlN densificate ad alta conduttività termica. Tuttavia, si tratta di un processo più complesso con requisiti elevati di attrezzature e bassa efficienza produttiva, quindi il costo ovviamente aumenta.

2. Atmosfera di sinterizzazione

Attualmente esistono tre atmosfere di sinterizzazione per le ceramiche AlN: atmosfera neutra, atmosfera riducente e atmosfera debolmente riducente. L'atmosfera neutra utilizza l'N2 comunemente usato, l'atmosfera riducente utilizza la CO e l'atmosfera debole rossante utilizza l'H2.

Nell'atmosfera riducente, il tempo di sinterizzazione e il tempo di mantenimento della ceramica AlN non dovrebbero essere troppo lunghi e la temperatura di sinterizzazione non dovrebbe essere troppo elevata per evitare la riduzione di AlN. In atmosfera neutra, la situazione di cui sopra non si verifica, quindi generalmente si sceglie di sinterizzare in azoto, in modo da ottenere prestazioni più elevate della ceramica AlN.

3. Aggiunti additivi per la sinterizzazione

Nel processo di sinterizzazione del substrato ceramico in nitruro di alluminio, a meno che il processo e l'atmosfera influenzino le prestazioni del prodotto, anche la scelta degli additivi per la sinterizzazione è particolarmente importante.

Gli additivi per sinterizzazione AlN sono generalmente ossidi di metalli alcalini e ossidi di metalli alcalino terrosi, gli additivi per sinterizzazione hanno due ruoli principali: da un lato, la formazione di una fase a basso punto di fusione, la sinterizzazione in fase liquida, la riduzione della temperatura di sinterizzazione e la promozione della densificazione del pezzo grezzo . D'altra parte, l'elevata conduttività termica è una prestazione importante dei substrati AlN. A causa dell'esistenza di vari difetti come le impurità dell'ossigeno, la conduttività termica è inferiore al valore teorico, l'aggiunta di un aiuto per la sinterizzazione può reagire con l'ossigeno per completare il reticolo e quindi migliorare la conduttività termica.

Gli adiuvanti di sinterizzazione utilizzati per la sinterizzazione delle ceramiche AlN sono principalmente Y₂O₃、CaO、Yb₂O₃、Sm₂O₃、Li₂O₃、B₂O₃、CaF₂、YF₃、CaC_2, ecc. o loro miscele. La scelta di più ausili di sinterizzazione composti può spesso ottenere un migliore effetto di sinterizzazione rispetto a singoli ausili di sinterizzazione, ottenere la sinterizzazione AlN a bassa temperatura, ridurre il consumo di energia e facilitare la produzione continua. Per trovare i giusti additivi per la sinterizzazione a bassa temperatura, i produttori spesso devono investire molto tempo e impegno nella ricerca e nello sviluppo, quindi questa parte si rifletterà anche nel prezzo del substrato AlN.

Questo articolo è ristampato da 360powder.com