Bon mais cher, pourquoi le substrat en nitrure d'aluminium coûte plus cher ?

Aujourd’hui, c’est sans aucun doute l’ère des technologies de l’information qui s’annonce. Le développement rapide de l’industrie microélectronique a fait de la céramique de 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 sept fois celle des céramiques Al2O3 les plus largement utilisées, tandis que sa faible constante diélectrique, avec l'alumine, rivalise avec les excellentes propriétés électriques, sa haute résistance, sa faible densité et sa non-toxicité. Mais il y a des gains et des pertes, le substrat actuel en nitrure d'aluminium est confronté à un dilemme plus vaste, à savoir le coût qui affecte dans une certaine mesure la promotion de son application.

Alors d’où viennent ces coûts ? 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 lors de la préparation afin d'éviter des défauts de performances évidents. Chaque processus est excellent, ce qui entraîne un coût élevé.

Préparation de 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 processus de frittage et de formage. Et ils constituent la pierre angulaire de l’excellente performance des produits finaux.

Il existe plusieurs méthodes de synthèse des poudres d'AlN :

① Méthode de nitruration directe : dans l'atmosphère d'azote à haute température, la poudre d'aluminium est directement combinée chimiquement avec 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 (1 400 ℃ ~ 1 800 ℃) dans le flux de réaction de nitruration par réduction de l'azote gazeux pour produire de la poudre d'AlN.

③ Méthode de synthèse à haute température par auto-propagation : il s'agit de la nitruration directe de la poudre d'aluminium, utilisant pleinement les caractéristiques de la nitruration directe de la poudre d'aluminium comme une forte réaction exothermique, la poudre d'aluminium au point d'azote puis, l'utilisation de chaleur de réaction chimique élevée entre l'aluminium et l'azote pour maintenir la réaction par elle-même, la synthèse d'AlN.

④Méthode de dépôt chimique en phase vapeur : utilisation de composés volatils d'aluminium et réaction d'azote ou d'ammoniac gazeux, précipitation à partir de la phase gazeuse de la poudre de nitrure d'aluminium. Selon le choix de la source d'aluminium, divisé en méthode de dépôt chimique en phase vapeur inorganique et organique.

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 Les difficultés sont 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 de 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 utilisent récemment la méthode de coulée par coulée pour former des substrats céramiques en nitrure d'aluminium. La méthode de moulage est également devenue le principal processus 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, afin de 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 de céramique en nitrure d'aluminium doivent être préparées à l'aide d'une suspension organique. Mais comme le solvant organique utilisé est très volatil, 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 un traitement thermique dans une certaine atmosphère d'oxygène à pression partielle pour former une couche dense d'oxyde d'aluminium sur sa surface, etc.

Frittage d'AlN

Le processus de frittage du nitrure d'aluminium est relativement dur, la température de frittage ou de pressage à chaud peut souvent atteindre 1 800 ℃ ou plus, à la fois pour obtenir un frittage dense, réduire la teneur en impuretés et la phase limite des grains, mais aussi pour simplifier le processus, réduire les coûts, dans le Processus de frittage de la céramique AlN : clé à réaliser : Tout d'abord, choisissez le processus de frittage et l'atmosphère appropriés. Deuxièmement, choisissez les additifs de frittage appropriés.

1. Processus de frittage

Le processus de frittage des substrats AlN est très difficile en raison de son faible coefficient d’auto-diffusion.

① Frittage sous pression à chaud : le frittage de la céramique sous une certaine pression peut effectuer simultanément un frittage chauffant et un formage sous pression, de sorte que l'on puisse obtenir des grains fins, une densité relative élevée et de bonnes propriétés mécaniques de la céramique.

② Frittage sans pression : le processus de frittage est simple, frittage à pression atmosphérique de la céramique de nitrure d'aluminium, plage de température générale de 1600 à 2000 ℃. L'augmentation appropriée de la température de frittage et l'allongement 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 l'échauffement global de la méthode de frittage des ébauches.

④ Frittage plasma par décharge : intégrant l'activation plasma, le pressage à chaud, le chauffage par résistance et d'autres technologies. Il présente les caractéristiques d'une vitesse de frittage rapide et d'une granulométrie uniforme, mais le coût de l'équipement est élevé et la taille de la pièce traitée est limitée.

⑤Frittage d'auto-propagation : les céramiques denses AlN sont préparées directement par réaction de synthèse à haute température d'auto-propagation sous azote gazeux à ultra-haute pression. Cependant, il est difficile d'obtenir des céramiques AlN denses en raison de la réaction de combustion à haute température dans laquelle l'Al contenu dans la matière première fond facilement et empêche l'azote de pénétrer dans l'ébauche.

Parmi les cinq procédés de frittage ci-dessus, le frittage par pressage à chaud est le principal procédé de préparation de céramiques AlN densifiées à haute conductivité thermique. 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 est naturellement plus élevé.

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 des céramiques AlN ne doivent pas être trop longs, et la température de frittage ne doit pas être trop élevée pour éviter la réduction de l'AlN. En atmosphère neutre, la situation ci-dessus ne se produit pas, c'est pourquoi on choisit généralement de fritter dans l'azote, afin d'obtenir des performances plus élevées des céramiques AlN.

3. Additifs de frittage ajoutés

Dans le processus de frittage d'un substrat céramique en nitrure d'aluminium, à l'exception du processus et de l'atmosphère qui 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, réduire la température de frittage, et favoriser la densification de l'ébauche . D’un autre côté, une conductivité thermique élevée constitue une performance importante des substrats AlN. En raison de l'existence de divers défauts tels que les impuretés d'oxygène, la conductivité thermique est inférieure à la valeur théorique, l'ajout d'aide au 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、CaC_2, etc. ou leurs mélanges. Le choix de plusieurs auxiliaires de frittage composés permet souvent d'obtenir un meilleur effet de frittage que des auxiliaires de frittage simples, d'obtenir un frittage d'AlN à basse température, de réduire la consommation d'énergie et de faciliter une production continue. Afin de trouver les bons additifs de frittage à basse température, les fabricants doivent souvent investir beaucoup de temps et d'efforts dans la recherche et le développement, cette partie sera donc également reflétée dans le prix du substrat AlN.

Cet article est réimprimé de 360powder.com