高熱導氮化鋁陶瓷基板在宇航器件中的應用

中國航天事業(yè)的快速發(fā)展促使航天器用超大規(guī)模集成電路及電子器件向高密度、高頻、高功率、高可靠性、微型化、多功能化方向發(fā)展。器件的熱流密度隨之增加，散熱問題逐漸凸顯，散熱材料是影響器件傳熱性能和可靠性的關鍵。因此，高導熱電絕緣材料成為電子系統(tǒng)高度集成化和小型化的突破口，其中，電絕緣陶瓷基板成為解決散熱問題的重要方向。

氮化鋁陶瓷基板成為宇杭器件的散熱基板

AlN陶瓷具有優(yōu)異的綜合性能，尤其是其出色的導熱性能，因而被廣泛用于電子電氣系統(tǒng)；作為結(jié)構(gòu)功能一體化的陶瓷材料，其介電性能也逐漸獲得足夠的重視，用于高功率微波管的輸能窗等；良好的良好的電絕緣性能，可以用作半導體表面鈍化、半導體基板材料和電子元器件的陶瓷封裝材料；此外，AlN陶瓷也可用于光學陶瓷材料。

AlN氮化鋁陶瓷基板在宇航器件中的應用

由于AlN陶瓷基板具有優(yōu)異的綜合性能而被廣泛應用于航天電子的各個領域。基于其材料功能特性，AlN陶瓷基板材料可用作覆銅基板材料、電子封裝材料、超高溫器件封裝材料、高功率器件平臺材料、高頻器件材料、傳感器薄膜材料、光學電子器件材料、涂層及功能增強材料等。1 陶瓷覆      .覆銅

1，氮化鋁陶瓷基板作為覆銅材料

在航天器的電源控制器設計中，采用了大量表面貼裝方式組裝，常用的基板材料為FR-4材料。然而，F(xiàn)R-4的線膨脹系數(shù)較高（一般大于10×10^–6/℃），焊裝器件時，具有熱失配風險，造成開裂失效，可靠性下降。目前，先進的封裝工藝中采用了高性能氮化鋁陶瓷板作為導熱基板，在氮化鋁上面直接鍵合銅，進一步設計電路，表面貼裝晶體管、功率二極管。

氮化鋁覆銅板具有氮化鋁的導熱性能和機械強度，同時兼具銅的導熱性能和導電性能，因而在宇航領域應用潛力很大。此外，“銅–氮化鋁–銅”夾層結(jié)構(gòu)在電子系統(tǒng)的模塊化和集成化中可起到關鍵作用，它作為電源模塊的機械支撐、電氣隔離和散熱路徑。值得注意的是，氮化鋁覆銅板在應用當中，AlN與Cu之間的界面結(jié)合至關重要，界面物相決定了陶瓷與金屬銅層間的結(jié)合力。氮化鋁覆銅板的常規(guī)制備工藝包括熱壓法和直接覆銅法(DBC)。

2，氮化鋁陶瓷基板作為增強材料/封裝材料

電子元器件的集成度越來越高，熱源增多導致熱密度越來越大，因而選用封裝體要求具有優(yōu)異導熱性能。高導熱AlN作為封裝體材料，需要考慮其力學性能和加工工藝；對于共燒基片，需要考慮導體漿料與陶瓷流延片之間熱配性。鋰離子電池管理系統(tǒng)中，采用氮化鋁導熱基片來承載金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOS管）、二極管、變壓器等功率器件，取代導熱硅膠片，可大大提升系統(tǒng)的散熱能力。

                                   AlN多層封裝基板

另外，也可采用AlN作為金屬或者聚合物的增強體制備出封裝材料。對于AlN納米顆粒，用作結(jié)構(gòu)材料的彌散增強相，能有效改善基體材料的熱學性能和機械性能。如金屬基AlN材料在復合溫度下，由于氮化鋁的惰性允許復合反應時間延長，從而實現(xiàn)界面的有效調(diào)控。AlN填料還可用來調(diào)控聚合物的導熱率和剛度，降低其熱膨脹系數(shù)，被看作是取代Al₂O₃和SiO₂用作塑封材料最有前景的填料。器設

3，

3，氮化鋁陶瓷基板作為超高溫封裝材料

目前市場上的封裝技術(shù)大多是為硅基微電子器件開發(fā)的，然而，硅基器件僅適用于150℃以下工作，功率密度限制在200W/cm²以下，一旦面臨高溫環(huán)境，傳統(tǒng)的封裝材料會失效或降解，此外，熱膨脹不匹配導致的高熱應力會導致永久的結(jié)構(gòu)層面的機械故障。AlN的熔點高達2500℃，可用作高溫耐熱材料，同時熱膨脹系數(shù)相對較低，接近于Si及SiC，能夠提供更好的熱可靠性。

用AlN陶瓷可制備超高溫氮化鋁封裝微電子器件，未來這些器件能有效解決航空航天發(fā)動機控制器和長期金星探測器（超高溫星表環(huán)境）的應用需求。一些商用氮化鋁材料在高溫下表現(xiàn)出高介電常數(shù)和高介電損耗，從而導致氮化鋁封裝的高寄生參數(shù)（電阻寄生、電容寄生、電感寄生），降低電路速度，改變頻率響應。在氮化鋁表面設計涂上玻璃涂層，然后再進行厚膜金屬化的方法，可在高達500℃的溫度下顯著降低氮化鋁封裝的寄生效應。

4，氮化鋁陶瓷基板作為高功率平臺材料

      航天器太陽電池翼會產(chǎn)生幾十千瓦以上的電功率傳輸至艙體內(nèi)部，根據(jù)機構(gòu)選用材料的要求，功率傳輸?shù)慕^緣材料需具備一定的電絕緣性能及較高的熱傳導性能，還需要具有優(yōu)異的機械承載能力，因而材料設計方向必須是結(jié)構(gòu)功能一體化材料。

無線收發(fā)系統(tǒng)中，收發(fā)組件（T/R組件）的固態(tài)放大電路已經(jīng)采用輸出功率更高的寬禁帶半導體功率器件，發(fā)熱密度向上千W/cm2邁進，因而需要選用高導熱材料將內(nèi)部逐漸累積的熱量傳導至散熱器，避免組件內(nèi)部溫度過高。因此，對于高功率射頻平臺來說，有效地將熱量從有源區(qū)域的通道中傳導出去意義重大。在高導熱寬禁帶的氮化物半導體材料中，AlN的導熱系數(shù)為320W/(m·K)，高于單晶GaN的230W/(m·K)，在熱傳導方面，氮化鋁比氮化鎵更具有傳熱優(yōu)勢。

                                 高功率器件中半導體材料的性能對比

5，氮化鋁陶瓷基板作為高頻器件材料

氮化鋁成為替代微波管中傳統(tǒng)高純氧化鋁陶瓷和有毒氧化鈹陶瓷的有力材料，可以用作微波管的集電極、夾極和能量傳輸窗口。微波窗口用來傳輸高頻能量，因此其介電損耗必須盡可能小，而氮化鋁的介電損耗可低至1×10–4，當窗口熱量過高時，氮化鋁窗口首先將器件內(nèi)部振蕩的電磁能量輸出到波導系統(tǒng)，有效保證器件的安全性。

星載加速度計、陀螺儀、振蕩器、濾波器可設計使用氮化鋁諧振器。氮化鋁作為器件的結(jié)構(gòu)層可耐高溫，具有高電阻率、高擊穿電壓強度和低介電損耗，并且可以得到高品質(zhì)因數(shù)、高頻機電耦合系數(shù)。

6，氮化鋁陶瓷基板作為薄膜材料

      AlN薄膜材料是一種性能良好的壓電材料，具有C軸結(jié)晶取向，在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性和壓電性，能在接近1200℃的高溫環(huán)境下工作，以滿足在高溫惡劣環(huán)境下工作的要求。AlN薄膜可在微模塊、傳感器、集成電路和有源元件、MEMS中獲得應用。基于氮化鋁薄膜高溫壓力傳感器應用在航天器的飛行控制中。

7，氮化鋁陶瓷基板作為光電器材料

      以往，硅基集成光子學能夠為功能器件提供有效解決方案，并且其制造工藝與成熟的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)制造技術(shù)兼容。然而，硅基材料存在諸多限制：僅1.1eV的間接帶隙、大于1.1μm的透明波長，以及不顯著的二階非線性光學特性。氮化鋁作為CMOS兼容材料，可以克服這些限制。它具有6.2eV的寬帶隙、從紫外到中紅外寬的透明波長，以及顯著的二階非線性光學效應。此外，它還表現(xiàn)出壓電和熱電效應，這使得它在光學機械設備和熱電光電探測器中具有廣闊的應用潛力。

       總結(jié)：宇航器件對電子功能陶瓷選用的高要求，促使研究人員不斷關注材料結(jié)構(gòu)成分的調(diào)控，不斷開展結(jié)構(gòu)細晶化、功能一體化、高頻低損耗化的氮化鋁陶瓷攻關。尤其是，隨著宇航器件對承載、導熱、電絕緣等結(jié)構(gòu)功能一體化需求的提升，兼具力、熱、電性能的AlN陶瓷將成為新型應用材料，有望成為新一代空間大功率器件基板、高溫封裝體、高密度半導體平臺和高溫高頻高功率電子器件的潛力材料。但是宇航器件所選用的材料及其所面臨的飛行環(huán)境都是獨特的，所用材料除必須滿足任務的基本性能要求外，還必須具備耐受空間環(huán)境考驗的性能穩(wěn)定性。探索AlN陶瓷在宇航器件中的應用潛力，還需要全面考核AlN的空間環(huán)境適應性，更待進一步加強對氮化鋁材料和工藝與宇航器件的貫通性、結(jié)合性、兼容性的系統(tǒng)研究。隨著對AlN陶瓷更加深入的探討，有助于實現(xiàn)高性能AlN材料在航天領域的廣泛應用。

   參考來源：

   1.高熱導電絕緣氮化鋁陶瓷在宇航器件中的應用：概述、挑戰(zhàn)和展望，何端鵬、黃雪吟、任剛、汪洋、于翔天、李巖、邢焰、高鴻（硅酸鹽學報）；

   2.高導熱氮化鋁基板在航空工業(yè)的應用研究，嚴光能、鄧先友、林金堵（印制電路信息）。

計中，采用了大量表面貼裝方式組裝，常用的基板材料為FR-4材料。然而，F(xiàn)R-4的線膨脹系數(shù)較高（一般大于10×10–6/℃），焊裝器件時，具有熱失配風險，造成開裂失效，可靠性下降。目前，先進的封裝工藝中采用了高性能氮化鋁陶瓷板作為導熱基板，在氮化鋁上面直接鍵合銅，進一步設計電路，表面貼裝晶體管、功率二極管。

1，1.覆銅基板材料1.覆銅基板材料基板材料