氮化铝与氮化铝陶瓷的研究和应用

　　氮化铝(AlN)是一种综合性能优良新型陶瓷材料，具有优良的热传导性，可靠的电绝缘性，低的介电常数和介电损耗，无毒以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良特性，被认为是**高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料，受到了国内外研究者的广泛重视.在理论上，AlN的热导率为320W/(m)，工业上实际制备的多晶氮化铝的热导率也可达100~250W/(m)，该数值是传统基片材料氧化铝热导率的5倍~10倍,接近于氧化铍的热导率，但由于氧化铍有剧毒,在工业生产中逐渐被停止使用。与其它几种陶瓷材料相比较，氮化铝陶瓷综合性能优良，非常适用于半导体基片和结构封装材料，在电子工业中的应用潜力非常巨大。

　　高电阻率、高热导率和低介电常数是集成电路对封装用基片的**基本要求。封装用基片还应与硅片具有良好的热匹配、易成型、高表面平整度、易金属化、易加工、低成本等特点和一定的力学性能。大多数陶瓷是离子键或共价键**的材料，具有优异的综合性能，是电子封装中常用的基片材料，具有较高的绝缘性能和优异的高频特性，同时线膨胀系数与电子元器件非常相近，化学性能非常稳定且热导率高。长期以来，绝大多数大功率混合集成电路的基板材料一直沿用A1203和BeO陶瓷，但A1203基板的热导率低，热膨胀系数和Si不太匹配;BeO虽然具有优良的综合性能，但其较高的生产成本和剧毒的缺点限制了它的应用推广。因此，从性能、成本和环保等因素考虑，二者已不能**满足现代电子功率器件发展的需要。

　　电子薄膜材料是微电子技术和光电子技术的基础，因而对各种新型电子薄膜材料的研究成为众多科研工作者的关注热点。AlN于19世纪60年代被人们发现，可作为电子薄膜材料，并具有广泛的应用。近年来，以ⅢA族氮化物为代表的宽禁带半导体材料和电子器件发展迅猛，被称为继以Si为代表的**代半导体和以GaAs为代表的第二代半导体之后的第三代半导体。A1N作为典型的ⅢA族氮化物得到了越来越多国内外科研人员的重视。目前，各国竞相投入大量的人力、物力对AlN薄膜进行研究工作。由于A1N有诸多优异性能，带隙宽、极化强，禁带宽度为6.2eV，使其在机械、微电子、光学，以及电子元器件、声表面波器件(SAW)制造、高频宽带通信和功率半导体器件等领域有着广阔的应用前景。AlN的多种优异性能决定了其多方面应用，作为压电薄膜，已经被广泛应用;作为电子器件和集成电路的封装、介质隔离和绝缘材料，有着重要的应用前景;作为蓝光、紫外发光材料也是目前的研究热点。

　　当前为了改善陶瓷材料脆性的弱点，开展了许多研究丁作。其中通过添加第二相、第三相颗粒形成复相陶瓷也成为改善陶瓷材料韧性的蓖婴手段，此方法与添加晶须、纤维等方法相比，具有价格低廉、容易制备等特点。碳化硅材料由丁其高硬度，高温强度，耐磨，耐腐蚀，密度比较小等优良性能，在机械、化工、能源和军工方面已经获得大量应用。但是由于其室温强度低以及韧性不足而使其应用受到一定的限制。为提高碳化硅陶瓷材料的强度与韧性，借鉴金属弥散强化理论采用第二相粒子的添加方法已经取得一些成绩。例如SiC/TiC、Sic/A1203和SiC/TlB等。

　　氮化铝(AlN)具有高的热导率(理论热导率为320W/(m•K)，实际值可达260W/(m•K)，为氧化铝陶瓷的10倍~15倍)、低的相对介电常数(约为8.8)、可靠的电绝缘性(电阻率>1016Q•m-1)、耐高温、耐腐蚀、无毒、良好的力学性能以及与硅相匹配的热膨胀系数(20℃~500℃，4.6×10-6K-1)等一系列优良性能，在许多高技术领域的应用越来越广泛，这其中很多情况下要求AlN为异形件和微型件，但是传统的模压和等静压工艺无法制备出复杂形状的陶瓷零部件，加上AlN陶瓷材料所固有的韧性低、脆性大、难于加工的缺点，使得用传统机械加工的方法很难制备出复杂形状的AlN陶瓷零部件。为了充分发挥AlN的性能优势，拓宽它的应用范围，解决好AlN陶瓷的复杂形状成形技术问题是其中非常关键的一环。