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摘要

Abstract

針對以“新基建”為代表的通信領域對高功率、高性能微波組件的需求，闡述了氮化鋁陶瓷基板的優(yōu)點和工藝復雜性?；诖耍_發(fā)了高溫燒結設備，進行氮化鋁陶瓷高溫燒結工藝試驗，分析了燒結溫度及時間、升降溫速率、氣體流量及爐體壓強等因素對高溫燒結產品性能的影響。隨著5G網絡、數(shù)據(jù)中心等新型基礎設施建設逐步加快，應用于特殊環(huán)境的雷達系統(tǒng)、通信移動產品對耐高溫、抗輻射等高性能電子元器件的需求更為迫切，尤其在高頻、高溫領域，傳統(tǒng)半導體封裝技術已顯現(xiàn)出諸多局限性，迫切需要高性能、高可靠的高溫電路模塊基板與封裝材料。權衡高頻損耗、熱導率、生產成本等因素，高溫共燒陶瓷（HTCC）基板憑借其強度高、耐高溫、耐磨性好和成本低等綜合性優(yōu)良性能，廣泛應用于微波電路、通信工程、高精尖移動終端、半導體照明和汽車電子等領域。AlN陶瓷材料不僅具有高熱傳導率、高絕緣電阻系數(shù)、優(yōu)良的機械強度及抗熱震等優(yōu)良特性，同時還具有良好的機電性能、優(yōu)良的射頻和微波特性以及與硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料相匹配的熱特性，非常適合在有功率需求的微波、毫米波電路中應用，是理想的電子封裝和襯底材料。 AlN陶瓷制造流程比較復雜，其工藝主要包括生瓷帶制備、切片、打孔、印刷堆疊、層壓熱切、高溫燒結和切割測試等環(huán)節(jié)，其中最為重要的一環(huán)是多層共燒陶瓷基板的共燒成型，是將生瓷片料經布線、疊片、層壓后移送至氧化-還原高溫爐中燒結，在燒結中生瓷變熟、金屬粉料金屬化。 AlN陶瓷的燒結工藝分為兩個過程： 1）排膠（添加劑的排出）：升溫前，先對爐內抽真空除氧，再送工藝氣體緩慢升溫至添加劑的揮發(fā)溫度（400～600℃），充分排出有機添加劑，減少對產品燒結性能的影響。 2）燒結：在排出添加劑后，選擇合適的燒結溫度曲線和合適的工藝氣氛進行燒結，共燒溫度為1 500～2 000℃，該過程通過燒結溫度、保溫時間、降溫速率、氣氛場等影響產品晶相界密度，從而改變產品導熱性能。

1 高溫燒結爐及其關鍵技術

爐體燒結室采用鐘罩式結構，工藝氣體由燒結室頂部中心通過管道引入爐膛，廢氣由爐底部排出，并分出一路管道接真空系統(tǒng)，加熱器懸掛于燒結室呈筒形布置，工件承載架置于燒結室底板上，由升降系統(tǒng)提升和關閉鐘罩爐體。高溫燒結爐主要由6個子系統(tǒng)組成：爐體系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。設備原理如圖1所示。

圖1 高溫燒結爐原理示意圖 1.1 爐體加熱及隔熱技術爐體系統(tǒng)由加熱器、熱屏蔽裝置、燒結室、防暴裝置、水冷電極等部件組成。為實現(xiàn)2 000℃以上高溫，加熱及隔熱技術是本設備的關鍵所在。在加熱器結構設計上，為滿足設備對升降溫速率快和溫控精度高的工藝要求，采用筒形鎢絲網作為加熱器。確保加熱器結構穩(wěn)定，熱變形小，表面負荷大，所形成的溫度場均勻性好，從而滿足高溫設備的溫度和可靠性要求。為提高加熱器的輻射表面積和阻值，采用鎢網結構方式。根據(jù)溫度分布經驗確定主加熱器設計的有效尺寸為：底部直徑650 mm、高560 mm。為降低爐體因熱量散失而產生的高功耗和溫度場穩(wěn)定性問題，采用反射屏隔熱保溫方式。理論和使用經驗表明，這種方式不僅具有良好的隔熱保溫效果，而且還具有熱慣性小、調溫靈敏度高和升降溫速度快的優(yōu)點。 1.2 爐體真空系統(tǒng)控制技術真空系統(tǒng)由分子泵、旋片泵、水冷擋板、真空擋板閥等組成，以分子泵作為主泵，旋片泵作為前級泵。高溫燒結設備要求真空度≤0.1 Pa，極限真空度≤5×10 ^-3 Pa。對于這一工藝要求，采用兩級真空泵方式。 1.3 工藝氣體控制技術在工藝氣體控制方面，先充N2，清洗管道中殘留空氣，再將爐內抽真空，然后充H2，待穩(wěn)定后開始升溫、保溫等工藝過程，直到工藝完結降溫，在工藝過程中根據(jù)需要設定某點開始加濕H2及停止加濕H2；當溫度降到100℃左右改充N2清洗H2，直至取出工件。工藝氣體H2易燃易爆，為提高安全性，在爐體上設防爆口，當爐內壓力超過設計壓力時可以自動快速泄壓，同時在氫氣源上設置防回火閥，防止火焰進入氫氣源。 1.4 高溫爐水冷卻系統(tǒng) 對于采用屏蔽隔熱的真空爐，爐內溫度較高，爐筒、爐蓋、底盤、水冷擋板和加熱電極都需要通水冷卻。冷卻水系統(tǒng)配備加熱管、溫控儀、超溫自動開啟軟化自來水的電磁閥、水泵和水箱?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 循環(huán)冷卻水恒溫系統(tǒng)圖

2 高溫燒結爐工藝驗證過程

利用高溫燒結爐搭建工藝驗證平臺，采用經印刷、排膠后的氮化鋁生瓷基片為樣品。為驗證燒結爐溫度場和氣流場對燒結效果的影響，采用常壓燒結方式，選擇一定的燒結溫度曲線和合適的工藝氣氛進行燒結。燒結溫度范圍為1 500～2 000℃，工藝氣體為氮氣和氫氣，燒結溫度和時間易改變陶瓷的晶相界密度，進而改變其熱導率；升降溫過程易在產品體內產生熱應力，進而改變其機械強度；燒結過程氣氛場易影響產品致密化程度，進而從外觀體現(xiàn)出來。驗證過程中，利用Thermtest測試儀檢測產品熱導率，通過肉眼觀察檢測產品機械強度和外觀一致性。典型的燒結溫度曲線如圖3所示。

圖3 燒結工藝溫度曲線

3 結果與討論

3.1 溫度和時間對產品導熱性的影響良好的導熱性是AlN陶瓷適用于大功率器件封裝的關鍵所在，而氧含量和晶界相密度直接影響其導熱性。因此，燒結工藝是決定陶瓷基片熱導率的關鍵。固定氣體參數(shù)，改變燒結溫度和時間，分析對陶瓷基片熱導率的影響（如圖4所示）。

圖4 不同溫度、時間下的產品熱導率在燒結溫度1 850℃、保溫時間6 h條件下，陶瓷熱導率達到峰值。在保溫時間為3 h時，熱導率隨燒結溫度的提高而增大，1 950℃條件下達到最大值。當溫度超過1 850℃后熱導率提高幅度很小，在燒結溫度1 950℃、保溫時間6 h條件下，陶瓷熱導率大幅度降低。 3.2 升降溫速率對產品物理性能的影響燒結溫度通常高達1 600℃以上，燒結爐升降溫過程也是陶瓷晶粒致密化生長過程。由于升降溫過程陶瓷基片內部易形成溫度梯度，進而產生熱應力，過大的熱應力極易使產品在后續(xù)激光加工過程產生隱裂碎片問題。工藝驗證過程中，設定燒結保溫溫度和時間不變，通過溫控系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)控制升降溫速率，根據(jù)升降溫速率設置高溫燒結工藝A、工藝B、工藝C。統(tǒng)計分析各工藝條件下的產品隱裂情況，工藝A、工藝B下的隱裂情況如圖5所示。工藝A條件下的產品隱裂程度明顯高于工藝B的，說明升降溫速率越高，其隱裂程度越大。

圖5 不同升降溫條件下產品隱裂情況 3.3 燒結氣氛場對產品外觀性能的影響產品質量的影響因素很多，其中最重要的是不局限于N2、H2的燒結氣氛，還包括燒結過程中產生的液相蒸汽氛圍。在工藝試驗中，保證升降溫速率和保溫溫度、時間這三者不變，改變N2、H2流量和爐體內部壓強，研究分析其對燒結產品外觀的均勻性影響，設定燒結工藝A和工藝B。工藝A下氣流流量小于工藝B的，爐體壓強高于工藝B的。燒結后的產品外觀如圖6所示。

圖6 AlN基板高溫燒結試驗前后的實物對照圖工藝B條件下外觀顏色基本均勻一致，符合產品燒結要求，而工藝A條件下產品邊緣正常，中間區(qū)域明顯偏暗。因此，優(yōu)化氣體流量和壓強，形成一定強度的氣流場，利于改善陶瓷基板外觀一致性。

4 總結

綜合分析了高溫共燒AlN陶瓷基板的技術復雜性，據(jù)此針對性開發(fā)一種具備自主知識產權的高溫燒結爐，并搭建工藝驗證平臺，根據(jù)工藝要求對設備性能進行優(yōu)化，使之滿足氮化鋁高溫陶瓷基板的性能要求。在此基礎上，利用AlN生瓷片為樣品，進行燒結工藝驗證，經批量驗證，初步得到較為合理的高溫燒結工藝參數(shù)區(qū)間：燒結溫度1 850～1 900℃、保溫時間4.0～4.5 h、氮氣流量14.1～18.8 L/min、氫氣流量2.3～4.7 L/min、升降溫速率3～5℃/min。

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參考資料：

中國國際先進陶瓷展覽會

IACE CHINA

舉辦地區(qū)：: 上海上海

舉辦地址：: 上海市青浦區(qū)徐涇鎮(zhèn)崧澤大道333號

展覽面積：: 55000㎡

觀眾數(shù)量：: 80000人

所屬行業(yè)：: 陶瓷展會

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HTCC-AlN陶瓷基板高溫燒結設備與燒結工藝曲線