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Aujourd'hui, c'est sans aucun doute l'ère des technologies de l'information qui arrive. Le développement rapide de l'industrie de la microélectronique a fait de la céramique en nitrure d'aluminium un succès instantané dans la production de circuits intégrés à très grande échelle. Et ils attirent l'attention en tant que substrats céramiques et matériaux d'emballage hautement conducteurs thermiquement.
La conductivité thermique de l'AlN est actuellement la céramique Al2O3 la plus largement utilisée jusqu'à sept fois, tandis que la faible constante diélectrique, avec l'alumine rivalise avec les excellentes propriétés électriques, haute résistance, faible densité et non toxique. Mais il y a des gains et des pertes, le substrat de nitrure d'aluminium actuel est confronté à un plus grand dilemme, qui est le coût affectant dans une certaine mesure la promotion de son application.
Alors d'où viennent ces frais ? Comme mentionné, l'AlN a une conductivité thermique exceptionnelle, mais en raison des impuretés et des défauts de la céramique, la conductivité thermique du produit est loin de la valeur théorique.
Par conséquent, afin de se rapprocher le plus possible de la conductivité thermique théorique et de mettre en évidence les avantages de l'AlN lui-même, les fabricants doivent être prudents dans la préparation pour éviter des lacunes évidentes en matière de performances. Chaque processus d'excellence, d'où le coût élevé.
Préparation de la poudre d'AlN
En tant que matière première pour la préparation des produits céramiques finaux, la pureté, la taille des particules, la teneur en oxygène et d'autres impuretés ont un impact important sur la conductivité thermique, le frittage et le processus de formage. Et ils sont la pierre angulaire de l'excellente performance des produits finaux.
Il existe plusieurs méthodes de synthèse des poudres d'AIN comme suit :
① Méthode de nitruration directe : dans l'atmosphère d'azote à haute température, la poudre d'aluminium est directement combinée chimiquement avec de l'azote pour produire de la poudre de nitrure d'aluminium, et la température de réaction est généralement comprise entre 800 ℃ et 1 200 ℃..
② Méthode de réduction thermique du carbone : le mélange de poudre d'Al2O3 et de poudre de carbone à haute température (1400℃~1800℃) dans le flux de réaction de nitruration de réduction d'azote gazeux pour produire de la poudre d'AlN.
③ Méthode de synthèse à haute température d'auto-propagation: il s'agit de la nitruration directe de la poudre d'aluminium, en utilisant pleinement les caractéristiques de la nitruration directe de la poudre d'aluminium en tant que réaction exothermique forte, la poudre d'aluminium au point d'azote puis, l'utilisation de chaleur de réaction chimique élevée entre l'aluminium et l'azote pour entretenir la réaction par elle-même, la synthèse d'AlN.
④Méthode de dépôt chimique en phase vapeur: utilisation de composés volatils d'aluminium et réaction de gaz d'azote ou d'ammoniac, précipitation à partir de la phase gazeuse de la poudre de nitrure d'aluminium. Selon le choix de la source d'aluminium, divisée en méthode de dépôt chimique inorganique et organique en phase vapeur.
Méthode | Avantage | Désavantage |
Méthode de nitruration directe | Forte réaction exothermique, auto-frittage facile, processus simple, adapté à la production de masse | Contrôlé par diffusion gaz-solide, nécessitant une température élevée et un long temps de réaction, une mauvaise stabilité de la qualité et des produits difficiles à synthétiser à haute pureté et à grains fins. |
Méthode de réduction thermique au carbone | Poudre synthétique de haute pureté, performances stables, taille de poudre fine et uniforme, préparer une poudre de haute qualité | Sensible aux conditions de traitement, température de réaction élevée, temps de synthèse long, nécessité d'une décarburation secondaire, coût élevé |
Méthode de dépôt chimique en phase vapeur | Processus fiable, facile à réaliser la continuité du processus, obtenir une poudre nanométrique de haute pureté | Faible efficacité de production |
Méthode de synthèse à haute température auto-propagée | Vitesse de réaction rapide, temps de synthèse court, processus simple, faible coût, efficacité de production élevée et activité élevée de la poudre produite | Le processus de réaction est difficile à contrôler, ce qui rend difficile la préparation d'une poudre de haute qualité |
Méthode de craquage au sel organique | Production continue, grande pureté de la poudre préparée, ultra-fine | Coût élevé des matières premières |
Méthode de synthèse chimique plasma | Petite taille de particules, activité élevée et bonnes performances de traitement de la poudre préparée | Moins de pureté, équipement complexe |
De toute évidence, le processus requis pour une pureté élevée, une granulométrie fine et une distribution granulométrique étroite de la poudre d'AlN est coûteux, ou le processus de préparation est compliqué, l'efficacité de production est faible, ou l'équipement nécessite des conditions élevées, et la conséquence de cette série de difficultés est le prix élevé de la poudre de nitrure d'aluminium de qualité.
Formation d'AlN
Il existe différents procédés de moulage pour la poudre d'AlN, et les procédés de moulage traditionnels tels que le moulage, le pressage à chaud et le pressage isostatique sont applicables. Parmi eux, le pressage à chaud et le pressage isostatique conviennent à la préparation de matériaux céramiques en nitrure d'aluminium en vrac à haute performance, mais le coût élevé et la faible efficacité de production ne peuvent pas répondre à la demande croissante de substrat céramique en nitrure d'aluminium dans l'industrie électronique. Afin de résoudre ce problème, les gens ont récemment utilisé la méthode de coulée en flux pour former du nitrure d'aluminium.substrats céramiques. La méthode de coulée est également devenue le principal procédé de moulage des céramiques de nitrure d'aluminium dans l'industrie électronique.
De plus, en raison de la forte hydrophilie de la poudre d'AlN, pour réduire l'oxydation, le contact avec l'eau doit être évité autant que possible pendant le processus de moulage, ce qui signifie que les ébauches en céramique de nitrure d'aluminium doivent être préparées à l'aide d'une suspension organique. Mais comme le solvant organique utilisé a une forte volatilité, il aura des effets néfastes sur l'environnement et le corps humain. Ou améliorer la résistance de surface à l'hydrolyse de la poudre d'AlN, comme la formation d'enveloppes de revêtement sur la surface d'AlN à l'aide de substances organiques hydrophobes et hydrophiles, ou le traitement thermique dans une certaine atmosphère de pression particale d'oxygène pour former une couche d'oxyde d'aluminium dense sur sa surface, etc.
Frittage d'AlN
Le processus de frittage de nitrure d'aluminium est relativement dur, la température de frittage ou de frittage par pressage à chaud est souvent jusqu'à 1800 ℃ ou plus, à la fois pour obtenir un frittage dense, réduire la teneur en impuretés et en phase limite de grain, mais aussi pour simplifier le processus, réduire les coûts, dans le procédé de frittage de la clé de la céramique AlN à faire : Tout d'abord, choisissez le procédé de frittage et l'atmosphère appropriés. Deuxièmement, choisissez les additifs de frittage appropriés.
1. Processus de frittage
Le processus de frittage des substrats AIN est très difficile en raison de son faible coefficient d'autodiffusion.
① Frittage sous pression à chaud : le frittage de la céramique sous une certaine pression peut effectuer un frittage chauffant et une formation sous pression en même temps, de sorte que l'on peut obtenir des grains fins, une densité relative élevée et de bonnes propriétés mécaniques de la céramique.
② Pas de frittage sous pression : le processus de frittage est simple, la température générale de la céramique de nitrure d'aluminium de frittage sous pression atmosphérique est comprise entre 1 600 et 2 000 ℃. L'augmentation appropriée de la température de frittage et la prolongation du temps de maintien peuvent améliorer la densité des céramiques de nitrure d'aluminium, mais la résistance est relativement faible.
③ Frittage par micro-ondes : Le frittage par micro-ondes est également une méthode de frittage rapide, utilisant l'interaction entre les micro-ondes et le milieu pour produire une perte diélectrique et le chauffage global de la méthode de frittage à blanc.
④ Frittage au plasma par décharge : incorporation de l'activation au plasma, du pressage à chaud, du chauffage par résistance et d'autres technologies. Il présente les caractéristiques d'une vitesse de frittage rapide et d'une taille de grain uniforme, mais le coût de l'équipement est élevé et la taille de la pièce traitée est limitée.
⑤ Frittage d'auto-propagation : les céramiques AlN denses sont préparées directement par réaction de synthèse à haute température d'auto-propagation sous azote gazeux ultra-haute pression. Cependant, il est difficile d'obtenir des céramiques AIN denses en raison de la réaction de combustion à haute température dans laquelle l'Al de la matière première fond facilement et empêche l'azote de pénétrer dans l'ébauche.
Parmi les cinq processus de frittage ci-dessus, le frittage par pressage à chaud est le principal processus de préparation de céramiques AlN densifiées à conductivité thermique élevée. Cependant, il s'agit d'un processus plus complexe avec des exigences d'équipement élevées et une faible efficacité de production, de sorte que le coût augmente naturellement.
2. Atmosphère de frittage
Actuellement, il existe trois atmosphères de frittage pour les céramiques AIN : atmosphère neutre, atmosphère réductrice et atmosphère faiblement réductrice. L'atmosphère neutre utilise le N2 couramment utilisé, l'atmosphère réductrice utilise le CO et l'atmosphère faiblement réductrice utilise le H2.
Dans l'atmosphère réductrice, le temps de frittage et le temps de maintien de la céramique AlN ne doivent pas être trop longs, et la température de frittage ne doit pas être trop élevée pour éviter la réduction d'AlN. En atmosphère neutre, la situation ci-dessus ne se produit pas, choisissez donc généralement le frittage dans l'azote, afin d'obtenir une meilleure performance de la céramique AIN.
3. Additifs de frittage ajoutés
Dans le processus de frittage du substrat céramique de nitrure d'aluminium, sauf que le processus et l'atmosphère affectent les performances du produit, le choix des additifs de frittage est également particulièrement important.
Les additifs de frittage AlN sont généralement des oxydes de métaux alcalins et des oxydes de métaux alcalino-terreux, les additifs de frittage ont deux rôles principaux : d'une part, la formation de phase à bas point de fusion, le frittage en phase liquide, la réduction de la température de frittage, et favoriser la densification de l'ébauche . D'autre part, une conductivité thermique élevée est une performance importante des substrats AlN. En raison de l'existence de divers défauts tels que des impuretés d'oxygène, la conductivité thermique est inférieure à la valeur théorique, l'ajout d'auxiliaire de frittage peut réagir avec l'oxygène pour compléter le réseau et ainsi améliorer la conductivité thermique.
Les adjuvants de frittage utilisés pour le frittage des céramiques AlN sont principalement Y2O3、CaO、Yb2O3、Sm2O3、Li2O3、B2O3、CaF2、YF3、CaC2, etc. ou leurs mélanges. Le choix d'auxiliaires de frittage composés multiples permet souvent d'obtenir un meilleur effet de frittage que les adjuvants de frittage simples, d'obtenir un frittage à basse température d'AlN, de réduire la consommation d'énergie et de faciliter la production continue. Afin de trouver la bonne basse-additifs de frittage à température, les fabricants doivent souvent investir beaucoup de temps et d'efforts dans la recherche et le développement, de sorte que cette partie se reflétera également dans le prix du substrat AlN.
Cet article est réimprimé de 360powder.com
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