中國粉體網(wǎng)訊 AlN有很高的熱導(dǎo)率，理論值達到320W/(m·K)，是Al2O3的7-10倍，憑借如此高的“散熱基因”，氮化鋁自然成為了高效散熱需求領(lǐng)域的重點關(guān)注對象。
目前來講，氮化鋁在高導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在兩個方面：封裝基板和導(dǎo)熱填料。
封裝基板
AlN：理想的電子封裝基片材料
封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導(dǎo)率，將熱量從芯片(熱源)導(dǎo)出，實現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換。對于功率半導(dǎo)體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：
(1)高熱導(dǎo)率；
(2)與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配；
(3)耐熱性好，滿足功率器件高溫使用需求，具有良好的熱穩(wěn)定性；
(4)絕緣性好，滿足器件電互連與絕緣需求；
(5)機械強度高，滿足器件加工、封裝與應(yīng)用過程的強度要求；
(6)價格適宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。
目前常用電子封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板(金屬核線路板，MCPCB)和陶瓷基板幾類。陶瓷材料本身具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前，常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹(BeO)等。
氮化鋁粉和氮化鋁基片
AlN陶瓷理論熱導(dǎo)率很高，其商用產(chǎn)品熱導(dǎo)率也可達到為180W/(m·K)~260W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)只有氧化鋁陶瓷的50%，此外還具有絕緣強度高、介電常數(shù)低、耐腐蝕性好等優(yōu)勢。除了成本較高外，氮化鋁陶瓷綜合性能均優(yōu)于氧化鋁陶瓷，是一種非常理想的電子封裝基片材料，尤其適用于導(dǎo)熱性能要求較高的領(lǐng)域。
氮化鋁基板發(fā)展現(xiàn)狀
國外對AlN粉體及其相關(guān)產(chǎn)品研究開發(fā)時間較早，生產(chǎn)技術(shù)成熟，其中，日、美、德等國家現(xiàn)已推出AlN粉體、基板及其金屬化、電子封裝等相關(guān)產(chǎn)品，已實現(xiàn)產(chǎn)品商品化。國際上，日本京瓷(Kyocera)、東芝(Toshiba)、德山曹達(Tokuyama)、住友電工(Sumitomo)、丸和(Maruwa)，美國的Carborundum、Oasis、Natel、CMC、Adtech，德國的Anceram、Ceramtec等公司在國際市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，代表國際上高導(dǎo)熱AlN陶瓷基板的最高水平。
國外主要公司AlN產(chǎn)品性能指標(biāo)
日本Toshiba公司能批量生產(chǎn)熱導(dǎo)率為170W/(m·K)和為200W/(m·K)以上的AlN陶瓷基板，并可在AlN陶瓷基板上印制燒結(jié)W導(dǎo)體金屬化圖形，同時還可以采用活性金屬化的方法在AlN陶瓷基板上制作Cu導(dǎo)體金屬化圖形。Toshiba公司研制的超高導(dǎo)熱AlN陶瓷基板，熱導(dǎo)率可達270W/(m·K)以上，是現(xiàn)在世界上熱導(dǎo)率最高的AlN陶瓷基板。日本Maruwa公司是目前世界上AlN陶瓷基板產(chǎn)量最大的公司，該公司能夠批量生產(chǎn)熱導(dǎo)率為170-200W/(m·K)的AlN陶瓷基板，市場化的常規(guī)尺寸為190mm×139mm，其研制的超高導(dǎo)熱AlN陶瓷基板熱導(dǎo)率可達230W/(m·K)以上。日本Sumitomo公司能夠批量生產(chǎn)作為封裝熱沉材料使用的AlN陶瓷基板，尺寸能夠達到110mm×110mm，熱導(dǎo)率為170W/(m·K)，最高可達220W/(m·K)，并且能夠?qū)lN陶瓷基板進行薄膜金屬化。
德國Anceram公司能夠批量生產(chǎn)熱導(dǎo)率在140-180W/(m·K)的AlN陶瓷基板，并生產(chǎn)專用于AlN陶瓷基板的金屬化漿料，其生產(chǎn)的AlN陶瓷基板已應(yīng)用于功率半導(dǎo)體器件中，為大功率整流器、IGBT等模塊電路提供散熱通道。德國Ceramtec公司生產(chǎn)的180W/(m·K)的AlN陶瓷基板及AlN封裝產(chǎn)品主要為功率器件提供散熱通道，AlN產(chǎn)品主要應(yīng)用于大功率電子元器件領(lǐng)域、IGBT、電子通訊和高功率LED散熱系統(tǒng)。
雖然近幾年國內(nèi)的研究取得顯著的進展，其中很多技術(shù)已經(jīng)在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但是與發(fā)達國家還有一定的差距。國內(nèi)能夠批量化生產(chǎn)和銷售的AlN陶瓷基板的熱導(dǎo)率主要集中在170W/(m·K)附近，AlN產(chǎn)品熱導(dǎo)率偏低，而最能體現(xiàn)AlN陶瓷技術(shù)水平的200W/(m·K)以上的高導(dǎo)熱AlN材料，在國內(nèi)迄今少有報道。
導(dǎo)熱填料
隨著電子產(chǎn)品及其器件的小型化和高度集成化，散熱問題已經(jīng)成為制約電子技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸，而其中決定散熱功效的導(dǎo)熱界面材料等導(dǎo)熱復(fù)合材料更是受到人們越來越多的關(guān)注。
目前商業(yè)導(dǎo)熱復(fù)合材料一般由聚合物和導(dǎo)熱填料復(fù)合而成。由于聚合物的熱導(dǎo)率很低，一般小于0.5W/m·K，所以導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率主要由導(dǎo)熱填料決定。目前市場上應(yīng)用最廣泛的填料是以Al2O3等為代表的氧化物填料，但氧化鋁的本征熱導(dǎo)率只有38~42W/m·K，受其限制，將很難制備出滿足未來散熱材料市場需求的導(dǎo)熱復(fù)合材料。
常見的聚合物基體與導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率
與之相比，AlN的理論熱導(dǎo)率高達320W/m·K，且具有熱膨脹系數(shù)小、絕緣性能好、介電常數(shù)低、與硅膨脹系數(shù)相匹配等優(yōu)異性能，因此以AlN粉體為填料來制備導(dǎo)熱復(fù)合材料近年來受到熱捧。
需要指出的是，雖然氮化鋁綜合性能遠優(yōu)于氧化鋁、氧化鈹和碳化硅，被認(rèn)為是高集成度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料，但它易吸收空氣中的水發(fā)生水解反應(yīng)，使其表面包覆上一層氫氧化鋁薄膜，導(dǎo)致導(dǎo)熱通路中斷且聲子的傳遞受到影響，并且其大含量填充會使聚合物粘度大大提高，不利于成型加工。
為了克服上述問題，必須對氮化鋁導(dǎo)熱粒子進行表面改性以改善二者之間的界面結(jié)合問題。目前主要有兩種對無機顆粒表面進行改性的方法，一種是表面化學(xué)反應(yīng)法，它是小分子物質(zhì)如偶聯(lián)劑在無機顆粒表面的吸附或反應(yīng)。另一種是表面接枝法，它是聚合物單體與無機顆粒表面的羥基發(fā)生接枝反應(yīng)。
目前普遍使用的是偶聯(lián)劑表面改性，如硅烷和鈦酸酯偶聯(lián)劑及其它類型表面處理劑。與表面化學(xué)反應(yīng)法相比，表面接枝法具有更大的靈活性，它能根據(jù)不同的特性需求選擇滿足條件的單體和接枝反應(yīng)過程。
參考來源：
[1]王琦等.氮化鋁基導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備及性能
[2]程浩等.電子封裝陶瓷基板
[3]張浩.高導(dǎo)熱AlN陶瓷基板的制備技術(shù)研究
[4]中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
