氮化铝陶瓷及其表面金属化研究

论文摘要

氮化铝（AlN）陶瓷是最理想的高导热基板和封装材料,可广泛应用于高功率器件、电路和组件。本文以稀土氧化物（Y2O3）、碱土金属氧化物（CaO）及其复合添加途径,研究了高导热氮化铝陶瓷及厚膜基片的组成、流延工艺、无压烧结及物理性能。采用CaO-B2O3-SiO2-BaO系玻璃结合工艺和TiB2反应结合工艺,研究了强共价键型氮化铝陶瓷的表面金属化,金属相、粘接相对厚膜金属化性能的影响。采用XRD, DTA-TG,SEM分析表征了相组成、热工艺过程及显微结构,采用激光热导、四探针测试、拉伸试验等测定了热导率、金属化方阻、金属化层的结合强度。优化出的氮化铝陶瓷基片导热性能优异,实用价值高,金属化结合可靠,方阻小。氮化铝陶瓷及基片的研究显示,粉体对氮化铝陶瓷性能及工艺的影响显著,碳热还原制备的氮化铝陶瓷粉料具有细的颗粒尺寸、窄的粒径分布和球形颗粒形貌,从而在成型、烧结方面优于其它工艺制得的粉料,用其制得的陶瓷显微结构均匀、最高热导率可达248W/m.K。氮化铝陶瓷流延工艺采用以PVB为粘结剂的非水基流延成型体系,通过对粉料、流变性、粘度的研究及工艺参数的优化,可获得表面平整、结构致密、微观均匀的氮化铝流延生带。氮化铝陶瓷烧结助剂的研究表明,氧化钙对氮化铝陶瓷的烧结具有最强的促进作用,氧化钇的添加具有最高的热导率,而复合添加兼顾了高导热和低温烧结的特征。氮化铝陶瓷烧结过程与可烧结性的研究表明,烧结温度和烧结时间对氮化铝陶瓷的影响主要体现在密度和热导率方面,适当提高烧结温度和延长保温时间可以提高氮化铝陶瓷的密度和热导率。在低熔CaO-B2O3-SiO2-BaO体系玻璃结合剂的研究中,当金属浆料固含量不变、玻璃含量为10%时,Ag导体层与AlN基片之间附着力最大,达到11.74MPa,且随着玻璃含量的增加,方阻逐渐增大,当玻璃含量超过15%,方阻可大于46 m?/□。对CaO-B2O3-SiO2-BaO玻璃体系与氮化铝基片润湿行为的研究发现,高温下玻璃倾向于在基片表面处富集,并向晶界内扩散。在反应结合氮化铝厚膜金属化研究中,发现当金属浆料中Ag、TiB2、Co3O4、有机载体的含量分别为72.8%、1.5%、0.7%、25%;烧结工艺为室温到550℃空气烧结,550℃以后氮气保护烧结,850℃保温15min时,可以获得附着力达12.7MPa,表面方阻5.2 m?/□的光亮、致密的金属化膜层。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 氮化铝陶瓷概述
• 1.1.1 AlN陶瓷基本性质
• 1.1.2 AlN陶瓷特性
• 1.1.3 AlN陶瓷发展
• 1.2 AlN陶瓷工艺、结构与性能
• 1.2.1 AlN陶瓷制备工艺
• 1.2.2 AlN晶体结构
• 1.2.3 AlN陶瓷性能
• 1.3 氮化铝陶瓷基础研究
• 1.3.1 氮化铝的导热机理
• 1.3.2 获得高导热氮化铝陶瓷的途径
• 1.3.3 影响氮化铝陶瓷性能的因素
• 1.3.4 氮化铝陶瓷的烧结理论
• 1.4 AlN陶瓷金属化
• 1.4.1 AlN陶瓷的金属化方法
• 1.4.2 厚膜金属化及附着机理
• 1.4.3 AlN厚膜金属化的研究
• 1.5 氮化铝陶瓷应用
• 1.5.1 多芯片模块
• 1.5.2 微波功率放大器
• 1.5.3 激光二极管载体
• 1.5.4 蝶形封装
• 1.5.5 LED封装
• 1.5.6 高温半导体封装
• 1.6 论文选题
• 第二章 实验过程及测试
• 2.1 原料与设备
• 2.1.1 实验用主要原料
• 2.1.2 主要实验设备
• 2.2 制备工艺
• 2.2.1 氮化铝陶瓷工艺
• 2.2.2 氮化铝金属化工艺
• 2.3 性能评价
• 2.3.1 氮化铝陶瓷性能表征
• 2.3.2 金属化性能表征
• 2.4 测试分析
• 2.4.1 热导率测试
• 2.4.2 粘度测试
• 2.4.3 热重分析
• 2.4.4 表面电阻测试
• 2.4.5 附着强度测试
• 第三章 高导热氮化铝陶瓷研究
• 3.1 氮化铝陶瓷粉体
• 3.1.1 氮化铝粉
• 3.1.2 氮化铝粉体特性
• 3.1.3 粉体对陶瓷工艺及性能的影响
• 3.2 氮化铝烧结助剂
• 3.2.1 烧结助剂设计
• 3.2.2 烧结助剂对陶瓷烧结行为及热性能的影响
• 3.2.3 显微结构
• 3.2.4 相组成
• 3.3 氮化铝基片工艺
• 3.3.1 氮化铝流延工艺
• 3.3.2 排胶工艺
• 3.3.3 烧结工艺
• 第四章 玻璃结合氮化铝陶瓷厚膜金属化研究
• 4.1 玻璃相设计
• 4.2 金属化浆料
• 4.2.1 玻璃粉
• 4.2.2 有机载体
• 4.2.3 浆料
• 4.3 金属化形成
• 4.3.1 丝网印刷金属化
• 4.3.2 金属化烧结
• 4.4 厚膜金属化玻璃料制备与性能
• 4.4.1 正硅酸乙酯的水解-缩聚机理
• 4.4.2 钡源的引入及可溶性
• 4.4.3 水量、超声及pH值对凝胶化的影响
• 4.4.4 干胶粉煅烧
• 4.4.5 玻璃与基板润湿性
• 4.4.6 玻璃料的显微结构
• 4.5 玻璃结合氮化铝厚膜金属化
• 4.5.1 浆料粘度与流变性
• 4.5.2 烧结温度与金属化结构
• 4.5.3 玻璃含量与金属化性能
• 第五章 反应结合氮化铝厚膜金属化研究
• 5.1 浆料组成
• 5.1.1 反应结合剂
• 5.1.2 导电相
• 5.1.3 有机结合剂
• 5.2 浆料
• 5.2.1 浆料制备
• 5.2.2 浆料流变性
• 5.2.3 浆料粘度控制
• 5.2.4 银浆料的差热分析
• 5.2.5 金属化层膜厚控制
• 5.3 反应结合氮化铝Ag厚膜金属化
• 5.3.1 氮化铝基片
• 5.3.2 烧结
• 5.3.3 粘结剂
• 5.3.4 烧结优化
• 5.3.5 金属化结合机理
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢