回路パッケージングに適した材料: 窒化アルミニウムセラミックス

窒化アルミニウムセラミックス

窒化アルミニウムは六方晶系であり、純粋な AlN は通常、灰色またはオフホワイトです。窒化アルミニウムセラミックスは、総合性能に優れた新しいセラミックス材料として、優れた熱伝導性、信頼性の高い電気絶縁性、低い誘電率と誘電損失、無毒性、シリコンに匹敵する熱膨張係数など、一連の優れた特性を備えており、優れたセラミックス材料として注目されています。新世代の高度に集積された半導体基板および電子デバイスのパッケージングに理想的な材料です。この論文では、AlN 材料の調製と応用について簡単に紹介します。

準備方法

作製プロセスは基本的に他のセラミックス材料と同様で、粉末合成、成形、焼結の合計3つの作製工程があります。

1. AlN粉末の調製

窒化アルミニウム粉末は、最終セラミック製品の製造原料として、熱伝導率、その後の最終製品の焼結および成形プロセスに重要な影響を及ぼし、最終製品の優れた性能の基礎となります。窒化アルミニウム粉末の合成方法は次のとおりです。

（1）直接窒化法：高温窒素雰囲気中でアルミニウム粉末を窒素ガスと直接結合させて窒化アルミニウム粉末を製造し、反応温度は一般に800℃〜1200℃である。

(2) 炭素熱還元法：アルミナ粉末とトナーの混合粉末を窒素流通中で高温（1400℃～1800℃）で窒化反応させて還元し、AlN粉末を生成する。

(3) 自己伝播型高温合成法：アルミニウム粉末を直接窒化して強い発熱反応を起こす特性を活かし、アルミニウムとアルミニウムとの高い化学反応熱を利用してアルミニウム粉末を直接窒化する方法です。窒素を加えて反応を維持し、AlN を合成します。

（４）化学蒸着法：アルミニウムの揮発性化合物を窒素またはアンモニアと反応させて気相から窒化アルミニウム粉末を沈殿させる。アルミニウム源の選択の違いに応じて、無機化学気相成長法と有機化学気相成長法に分けられます。

2. AlNの形成プロセス。

窒化アルミニウム粉末の成形プロセスには多くの種類があり、成形、ホットプレス、静水圧プレスなどの従来の成形プロセスが適用できます。窒化アルミニウム粉末は親水性が強いため、窒化アルミニウムの酸化を抑えるため、成形加工中はできるだけ水との接触を避ける必要があります。さらに、ホットプレスおよび静水圧プレスは、高性能のバルク窒化アルミニウム磁器材料の製造に適していますが、高コストで生産効率が低いため、窒化アルミニウムセラミック基板に対するエレクトロニクス産業の需要の高まりに応えることができません。この問題を解決するために、近年では鋳造法により窒化アルミニウムセラミック基板を作製することが行われている。鋳造法は、エレクトロニクス産業における窒化アルミニウムセラミックスの基本的な主要な成形プロセスでもあります。

応用

1. 基板

ほとんどのセラミックスは、強いイオン結合または共有結合を持ち、総合的な特性に優れた材料であり、電子パッケージングの基板材料としてよく使用され、高い絶縁性と優れた高周波特性を有し、線膨張係数が電子部品と非常に似ており、化学的性質が非常に安定しており、熱伝導率が高い。 1985 年から 1988 年にかけて、マイクロ電子封入材料における窒化アルミニウムの応用が登場しました。ほとんどの高出力ハイブリッド集積回路の基板材料には、長い間アルミナと酸化ベリリウムのセラミックが使用されてきたことが判明しましたが、アルミナの基本的な熱伝導率は低く、熱膨張係数とシリコンはあまり一致しません。酸化ベリリウムは優れた包括的特性を持っていますが、その高い製造コストと非常に有毒な欠点により、その応用と促進が制限されています。したがって、性能、コスト、および環境保護を考慮すると、この 2 つはもはや現代の電子パワーデバイスの開発ニーズを完全に満たすことはできません。

2. 電子フィルム材料

電子薄膜材料はマイクロエレクトロニクス技術やオプトエレクトロニクス技術の基礎であるため、さまざまな新しい電子薄膜材料の研究が多くの研究者にとって注目のスポットとなっています。窒化アルミニウムは、19 世紀の 60 年代に電子フィルム材料として発見され、幅広い用途に使用されています。近年、III族に代表されるワイドバンドギャップ半導体材料や電子デバイスが注目されています。窒化物は急速に発展しており、Ｓｉに代表される第１世代半導体、ＧａＡｓに代表される第２世代半導体に次ぐ第３世代半導体として知られている。典型的な族としてのＡｌＮ ＩＩＩ．窒化物は国内外の研究者からますます注目を集めています。

3.るつぼのコーティング

窒化アルミニウムの耐食性は、溶融アルミニウムによって浸透する可能性がありますが、銅、リチウム、ウラン、鉄、その他の化合物合金や一部の超耐熱合金を含む溶融アルミニウムとは反応することはできません。また、窒化アルミニウムは、炭酸塩、低共晶混合物、塩化物、氷晶石などの多くの溶融塩に対して安定です。したがって、るつぼや耐火物のコーティングに使用できます。

窒化アルミニウムは真空蒸着や金属溶解用の容器として使用でき、特にAlのるつぼ、真空中で加熱されるAlNの真空蒸着に適しており、蒸気圧は低いですが、たとえ分解してもアルミニウムを汚染しません。 AlNは熱電対の保護スリーブとしても使用でき、空気中800～1000℃のアルミプールに3000時間以上浸漬し続けても侵食損傷がありません。半導体産業では、石英るつぼの代わりに AlN るつぼを使用してガリウムひ素を合成することで、ガリウムひ素への Si の汚染を完全に排除し、高純度の製品を得ることができます。

窒化アルミニウムはさまざまな優れた特性を持っているため、その用途は多岐にわたり、圧電膜として広く使用されています。電子デバイスや集積回路のパッケージング、誘電絶縁、コイル材料として、重要な用途の可能性を秘めています。青色光および紫外線発光材料として、研究のホットスポットでもあります。ポリマー材料として、金型の固定、接着剤、サーマルグリース、放熱パッドなどに使用できます。市場のさらなる拡大と発展により、窒化アルミニウムセラミック材料の応用範囲はますます広範囲になるでしょう。

この記事はCERADIRからの転載です