良いものですが高価です。なぜ窒化アルミニウム基板のコストが高いのでしょうか?

今日、間違いなく情報技術の時代が到来します。マイクロエレクトロニクス産業の急速な発展により、窒化アルミニウムセラミックは超大規模集積回路の製造において即座に成功を収めました。熱伝導性の高いセラミック基板やパッケージ材料として注目されています。

AlN の熱伝導率は現在最も広く使用されている Al2O3 セラミックの 7 倍であり、誘電率が低く、アルミナに匹敵する優れた電気特性、高強度、低密度、無毒です。しかし、利益もあれば損失もあり、現在の窒化アルミニウム基板は、コストがその応用促進にある程度影響を与えるという、より大きなジレンマに直面している。

では、これらのコストはどこから来るのでしょうか?前述したように、AlN は優れた熱伝導率を持っていますが、セラミックス中の不純物や欠陥により、製品の熱伝導率は理論値から大きく外れます。

したがって、理論上の熱伝導率に可能な限り近づき、AlN 自体の利点を強調するには、製造業者は明らかな性能上の欠点を避けるために慎重に準備する必要があります。それぞれの工程が優れているため、コストが高くなります。

AlN粉末の調製

最終セラミック製品を製造するための原料として、純度、粒子サイズ、酸素含有量、その他の不純物は、熱伝導率、焼結および成形プロセスに重要な影響を与えます。そしてそれらは、最終製品の優れた性能の基礎となります。

AlN 粉末の合成には次のようないくつかの方法があります。

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と直接化学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℃の範囲である。.

②カーボン熱還元法：Al2O3粉末とカーボン粉末を混合し、高温（1400℃～1800℃）窒素ガス流中で還元窒化反応させてAlN粉末を製造します。

③自己増殖高温合成法：アルミニウム粉末の直接窒化の強い発熱反応の特性を活かし、アルミニウム粉末を窒素点で加熱し、アルミニウム粉末を直接窒化する方法です。アルミニウムと窒素の間の高い化学反応熱により、それ自体の反応が維持され、AlN が合成されます。

④化学蒸着法：アルミニウムの揮発性化合物と窒素またはアンモニアガスの反応を使用し、窒化アルミニウム粉末の気相から沈殿させます。アルミニウム源の選択に応じて、無機化学蒸着法と有機化学蒸着法に分けられます。

当然のことながら、AlN 粉末を高純度、微細粒径、狭い粒度分布にするには、プロセスにコストがかかり、調製プロセスが複雑で、生産効率が低く、設備に高い条件が必要であり、この一連の結果は次のとおりです。問題は、高品質の窒化アルミニウム粉末の価格が高いことです。

AlNの形成

AlN粉末の成形プロセスにはさまざまな方法があり、モールディング、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。中でも、ホットプレス法と静水圧プレス法は、高性能のバルク窒化アルミニウムセラミック材料の製造に適していますが、コストが高く、生産効率が低いため、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基板の需要の増加に応えることができません。この問題を解決するために、最近では、フローキャスト法を使用して窒化アルミニウムセラミック基板を形成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主要な成形プロセスにもなっています。

また、AlN粉末は親水性が強いため、酸化を抑えるために成型工程では水との接触を極力避ける必要があり、有機スラリーを使用して窒化アルミニウムセラミックスブランクスを作製する必要があります。しかし、使用される有機溶剤は揮発性が強いため、環境や人体に悪影響を及ぼします。または、疎水性および親水性有機物質の助けを借りてAlN表面にコーティングラップを形成したり、一定の酸素分圧雰囲気中で熱処理して表面に緻密な酸化アルミニウム層を形成したりするなど、AlN粉末の加水分解に対する表面耐性を向上させます。その表面など。

AlNの焼結

窒化アルミニウムの焼結プロセスは比較的過酷で、緻密な焼結を実現し、不純物や粒界相の含有量を減らすだけでなく、プロセスを簡素化し、コストを削減するために、焼結またはホットプレス焼結温度は1800℃以上に達することがよくあります。 AlN セラミックスの焼結プロセスで重要となるのは、まず、適切な焼結プロセスと雰囲気を選択することです。次に、適切な焼結助剤を選択します。

1.焼結工程

AlN基板は自己拡散係数が小さいため、焼結プロセスが非常に困難です。

① 熱間加圧焼結：一定の圧力下でセラミックスを焼結し、加熱焼結と加圧成形を同時に行うことができるため、セラミックスの粒子が細かく、相対密度が高く、良好な機械的特性が得られます。

② 加圧焼結なし：焼結プロセスは簡単で、窒化アルミニウムセラミックスの一般的な温度範囲は1600〜2000℃です。焼結温度を適切に高め、保持時間を延長すると、窒化アルミニウムセラミックスの密度は向上しますが、強度は比較的低くなります。

③ マイクロ波焼結：マイクロ波焼結も高速焼結法であり、マイクロ波と媒体との相互作用を利用して誘電損失を発生させ、ブランク焼結法の全体を加熱します。

④ 放電プラズマ焼結：プラズマ活性化、ホットプレス、抵抗加熱などの技術を取り入れています。焼結速度が速く、粒度が均一であるという特徴がありますが、設備コストが高く、加工できるワークサイズも限られます。

⑤自己伝播焼結：超高圧窒素ガス下での自己伝播高温合成反応により緻密なAlNセラミックスを直接製造します。しかし、高温の燃焼反応により原料中のAlが溶けやすく、ブランクへの窒素の浸透が妨げられるため、緻密なAlNセラミックスを得ることが困難です。

上記の 5 つの焼結プロセスのうち、ホットプレス焼結は、高熱伝導率の緻密な AlN セラミックスを製造するための主要なプロセスです。しかし、より複雑なプロセスであり、設備要件が高く、生産効率が低いため、当然コストは高くなります。

2. 焼結雰囲気

現在、AlN セラミックスの焼結雰囲気には中性雰囲気、還元雰囲気、弱還元雰囲気の 3 種類があります。中性雰囲気には一般的に使用されるN2が使用され、還元雰囲気にはCOが使用され、弱赤色雰囲気にはH2が使用されます。

還元雰囲気では、AlN の還元を避けるために、AlN セラミックスの焼結時間と保持時間が長すぎたり、焼結温度が高すぎたりすべきではありません。中性雰囲気では上記のような状況は起こらないため、AlN セラミックスのより高い性能を得るには、一般に窒素中で焼結することが選択されます。

3. 焼結助剤の添加

窒化アルミニウムセラミック基板の焼結プロセスでは、プロセスや雰囲気が製品の性能に影響を与えることを除けば、焼結助剤の選択も特に重要です。

AlN 焼結助剤は一般にアルカリ金属酸化物とアルカリ土類金属酸化物であり、焼結助剤には主に 2 つの役割があります。1 つは低融点相の形成、液相焼結、焼結温度の低下、ブランクの緻密化の促進です。 。一方、高い熱伝導率はAlN基板の重要な性能です。酸素不純物などのさまざまな欠陥が存在するため、熱伝導率は理論値より低くなります。焼結助剤を添加すると酸素と反応して格子が完成し、熱伝導率が向上します。

AlNセラミックスの焼結に使用される焼結助剤は主にYです。₂O₃、CaO、Yb₂O₃、SM₂O₃、李₂O₃、B₂O₃、CaF₂、YF₃、CaC_2, 等、またはそれらの混合物。複数の複合焼結助剤を選択すると、多くの場合、単一の焼結助剤よりも優れた焼結効果が得られ、AlN 低温焼結が達成され、エネルギー消費が削減され、連続生産が容易になります。適切な低温焼結助剤を見つけるために、メーカーは多くの場合、研究開発に多くの時間と労力を投資する必要があるため、この部分は AlN 基板の価格にも反映されます。

この記事は 360powder.com からの転載です