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中国(guo)航天(tian)事业的快速发(fa)展(zhan)(zhan)促(cu)使航天(tian)器用超大规(gui)模集成电(dian)路及电(dian)子器件(jian)向高(gao)(gao)密(mi)度(du)、高(gao)(gao)频(pin)、高(gao)(gao)功率、高(gao)(gao)可(ke)靠性(xing)、微型(xing)化、多功能化方(fang)向发(fa)展(zhan)(zhan)。器件(jian)的热(re)流密(mi)度(du)随之增加(jia)，散(san)热(re)问题逐渐凸显，散(san)热(re)材料是影响(xiang)器件(jian)传热(re)性(xing)能和(he)可(ke)靠性(xing)的关键。因(yin)此(ci)，高(gao)(gao)导热(re)电(dian)绝缘材料成为电(dian)子系统(tong)高(gao)(gao)度(du)集成化和(he)小(xiao)型(xing)化的突破口(kou)，其中，电(dian)子陶瓷(ci)成为解决散(san)热(re)问题的重(zhong)要方(fang)向。

AlN陶(tao)瓷(ci)(ci)具有优(you)异的(de)综合性(xing)能(neng)(neng)，尤其(qi)是其(qi)出色的(de)导(dao)热(re)性(xing)能(neng)(neng)，因而(er)被广泛用于(yu)电子电气(qi)系(xi)统；作为结构功能(neng)(neng)一体(ti)化的(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)材料(liao)，其(qi)介电性(xing)能(neng)(neng)也逐渐获得足够的(de)重视，用于(yu)高功率微波管的(de)输能(neng)(neng)窗等(deng)；良(liang)好的(de)良(liang)好的(de)电绝(jue)缘性(xing)能(neng)(neng)，可以用作半(ban)导(dao)体(ti)表面(mian)钝化、半(ban)导(dao)体(ti)基(ji)板(ban)材料(liao)和(he)电子元器(qi)件(jian)的(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)封装(zhuang)材料(liao)；此外，AlN陶(tao)瓷(ci)(ci)也可用于(yu)光学陶(tao)瓷(ci)(ci)材料(liao)。

AlN陶瓷在宇航器件(jian)中的应(ying)用

由于(yu)(yu)AlN陶(tao)瓷具(ju)有优(you)异(yi)的综合性(xing)(xing)能而被广泛应用于(yu)(yu)航天电子的各个领域。基于(yu)(yu)其(qi)材料(liao)(liao)功(gong)能特性(xing)(xing)，AlN陶(tao)瓷材料(liao)(liao)可用作覆铜基板材(cai)料、电子封装(zhuang)材(cai)料、超高温器(qi)件(jian)封装(zhuang)材(cai)料、高功(gong)率器(qi)件(jian)平台材(cai)料、高频器(qi)件(jian)材(cai)料、传感(gan)器(qi)薄膜材(cai)料、光学电子器(qi)件(jian)材(cai)料、涂层及功(gong)能增强(qiang)材(cai)料等。

1.覆铜基(ji)板材料

在(zai)航(hang)天器的(de)电源控制器设计(ji)中，采用了(le)大(da)量(liang)表面贴装(zhuang)方式组装(zhuang)，常用的(de)基板材料为FR-4材料。然而(er)，FR-4的(de)线膨胀系(xi)数较高（一般大(da)于10×10^–6/℃），焊装(zhuang)器件时(shi)，具(ju)有热失配(pei)风险(xian)，造成开裂(lie)失效，可靠性下降。目前(qian)，先进的封装(zhuang)工艺中采用了高(gao)性能氮(dan)化铝陶瓷(ci)板(ban)作(zuo)为导热基板(ban)，在氮(dan)化铝上面(mian)直接键(jian)合铜，进一步设计电路，表面(mian)贴装(zhuang)晶体(ti)管(guan)、功(gong)率二(er)极管(guan)。

覆铜(tong)(tong)板具有氮(dan)化(hua)(hua)铝的导热性(xing)(xing)能和(he)机(ji)械强度，同时(shi)兼(jian)具铜(tong)(tong)的导热性(xing)(xing)能和(he)导电(dian)(dian)性(xing)(xing)能，因而在宇(yu)航领域应(ying)用(yong)(yong)潜力很大。此外，“铜(tong)(tong)–氮(dan)化(hua)(hua)铝–铜(tong)(tong)”夹层(ceng)结(jie)构在电(dian)(dian)子系统(tong)的模块化(hua)(hua)和(he)集成化(hua)(hua)中可起到关(guan)键作用(yong)(yong)，它作为电(dian)(dian)源模块的机(ji)械支撑、电(dian)(dian)气隔离(li)和(he)散(san)热路径(jing)。值得注意的是(shi)，氮(dan)化(hua)(hua)铝覆铜(tong)(tong)板在应(ying)用(yong)(yong)当(dang)中，AlN与(yu)Cu之间(jian)的界(jie)面结(jie)合(he)至关(guan)重(zhong)要，界(jie)面物相决(jue)定了陶(tao)瓷与(yu)金(jin)属铜(tong)(tong)层(ceng)间(jian)的结(jie)合(he)力。氮(dan)化(hua)(hua)铝覆铜(tong)(tong)板的常规制(zhi)备工艺包(bao)括热压法和(he)直接覆铜(tong)(tong)法(DBC)。

AlN覆铜基板(ban)

2.封(feng)装材料/增强填料

电子(zi)(zi)元器件(jian)的(de)集成度越来越高，热(re)(re)(re)源增多导(dao)(dao)致热(re)(re)(re)密度越来越大，因而选用封装体(ti)要求具有优异导(dao)(dao)热(re)(re)(re)性(xing)(xing)能。高导(dao)(dao)热(re)(re)(re)AlN作为封装体(ti)材(cai)料(liao)，需要考虑其(qi)力学性(xing)(xing)能和加工工艺；对(dui)于共烧(shao)基(ji)(ji)片(pian)，需要考虑导(dao)(dao)体(ti)浆料(liao)与陶瓷流延(yan)片(pian)之(zhi)间热(re)(re)(re)配性(xing)(xing)。锂离子(zi)(zi)电池管理系统中，采用氮化铝导(dao)(dao)热(re)(re)(re)基(ji)(ji)片(pian)来承载金属-氧(yang)化物半导(dao)(dao)体(ti)场效应晶体(ti)管（MOS管）、二极(ji)管、变压(ya)器等功率(lv)器件(jian)，取代导(dao)(dao)热(re)(re)(re)硅胶片(pian)，可大大提升系统的(de)散热(re)(re)(re)能力。

AlN多层封装基板

另外，也可采用(yong)AlN作(zuo)为金属(shu)或者聚(ju)合(he)物的增强体(ti)(ti)制备出(chu)封装材(cai)料(liao)(liao)。对于AlN纳(na)米颗粒，用(yong)作(zuo)结构材(cai)料(liao)(liao)的弥散增强相，能有(you)效改(gai)善(shan)基(ji)体(ti)(ti)材(cai)料(liao)(liao)的热学(xue)性(xing)能和(he)机(ji)械性(xing)能。如金属(shu)基(ji)AlN材(cai)料(liao)(liao)在复(fu)合(he)温(wen)度下(xia)，由于氮(dan)化铝的惰性(xing)允许复(fu)合(he)反应时间延(yan)长(zhang)，从而实现(xian)界面的有(you)效调控(kong)。AlN填(tian)料(liao)(liao)还(hai)可用(yong)来调控(kong)聚(ju)合(he)物的导热率(lv)和(he)刚(gang)度，降(jiang)低(di)其热膨(peng)胀系数，被看(kan)作(zuo)是取代Al₂O₃和(he)SiO₂用(yong)作塑封材料(liao)最有(you)前景(jing)的填料(liao)。

3.超高温(wen)封(feng)装材(cai)料

目前市场上的封(feng)装技术大多是为硅基(ji)微(wei)电(dian)子器(qi)件(jian)开发(fa)的，然而(er)，硅基(ji)器(qi)件(jian)仅(jin)适用于150℃以下工(gong)作，功率密度(du)限制在200 W/cm²以(yi)下，一旦(dan)面临高(gao)温环境，传统的(de)(de)(de)封装材(cai)料(liao)会失效或(huo)降解，此外，热(re)(re)膨(peng)胀(zhang)不匹配导致(zhi)的(de)(de)(de)高(gao)热(re)(re)应力会导致(zhi)永久的(de)(de)(de)结构层面的(de)(de)(de)机械故障。AlN的(de)(de)(de)熔(rong)点高(gao)达2500℃，可用作高(gao)温耐热(re)(re)材(cai)料(liao)，同(tong)时热(re)(re)膨(peng)胀(zhang)系(xi)数相对(dui)较低，接近(jin)于Si及SiC，能够(gou)提供更好的(de)(de)(de)热(re)(re)可靠性(xing)。

用AlN陶(tao)瓷可制备超(chao)高温氮(dan)化(hua)铝封装微电子器件，未来这些器件能有(you)效(xiao)解决航(hang)空航(hang)天发动机控制器和长(zhang)期金星(xing)探测器（超高(gao)温星(xing)表环(huan)境）的应(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)。一些商用(yong)氮(dan)化铝(lv)材料(liao)在高温(wen)下表(biao)现出高介电(dian)(dian)(dian)常(chang)数(shu)和(he)高介电(dian)(dian)(dian)损(sun)耗，从而导致氮(dan)化铝(lv)封装的高寄生(sheng)参(can)数(shu)（电(dian)(dian)(dian)阻(zu)寄生(sheng)、电(dian)(dian)(dian)容寄生(sheng)、电(dian)(dian)(dian)感寄生(sheng)），降(jiang)低电(dian)(dian)(dian)路速(su)度，改(gai)变(bian)频率响应(ying)。在氮(dan)化铝(lv)表(biao)面设计(ji)涂上玻璃涂层，然后(hou)再进行厚膜(mo)金属化的方法，可在高达 500℃的温度下显著(zhu)降低氮化铝封装的寄(ji)生效应。

4.高功率器件平台材料

航天器太阳电池翼会产生几十千(qian)瓦以上的电功率传输(shu)至舱(cang)体内(nei)部，根(gen)据机(ji)构选用(yong)材料的要(yao)求，功率传输(shu)的绝缘材料需具备(bei)一定的电绝缘性能(neng)及较(jiao)高的热传导性能(neng)，还(hai)需要(yao)具有优异的机(ji)械承载能(neng)力，因而材料设(she)计方向必须是(shi)结(jie)构功能(neng)一体化材料。

无(wu)线(xian)收发(fa)(fa)系(xi)统中，收发(fa)(fa)组件(jian)（T/R组件(jian)）的固态放(fang)大电(dian)路(lu)已经采用输出功率(lv)更高的宽禁带半导体功率(lv)器件(jian)，发(fa)(fa)热密度向上(shang)千(qian)W/cm²迈进，因而需(xu)要选用高导(dao)热材料将内部(bu)逐渐累积的热量传(chuan)导(dao)至散热器，避免组(zu)件内部(bu)温(wen)度过(guo)高。因此，对于高功率射频平台(tai)来说(shuo)，有(you)效地将热量从(cong)有(you)源区域(yu)的通道(dao)中传(chuan)导(dao)出去意义重大。在高导(dao)热宽禁带的氮化(hua)物(wu)半导(dao)体(ti)材料中，AlN的导(dao)热系数为320 W/(m·K)，高于单晶GaN的230 W/(m·K)，在热传(chuan)导(dao)方面，氮化(hua)铝比氮化(hua)镓更具(ju)有(you)传(chuan)热优势。

高功率器件中半导体材料的性能对比

5.高频器件(jian)材(cai)料(liao)

氮化(hua)(hua)铝(lv)(lv)成为替代微(wei)波管(guan)中传统高纯(chun)氧(yang)化(hua)(hua)铝(lv)(lv)陶瓷和(he)有毒氧(yang)化(hua)(hua)铍陶瓷的有力材料，可以用作微(wei)波管(guan)的集电(dian)极、夹极和(he)能(neng)量传输窗口。微(wei)波窗口用来传输高频能(neng)量，因此其介(jie)电(dian)损耗(hao)必(bi)须尽可能(neng)小，而氮化(hua)(hua)铝(lv)(lv)的介(jie)电(dian)损耗(hao)可低至 1×10^–4，当窗口热量过(guo)高时，氮化铝窗口首先将器件(jian)内部振荡的(de)电(dian)磁能量输出到波导系统，有效保(bao)证器件(jian)的(de)安(an)全性。

星载加(jia)速度计、陀螺仪、振荡器(qi)、滤波器(qi)可(ke)(ke)设(she)计使(shi)用氮(dan)化(hua)铝谐振器(qi)。氮(dan)化(hua)铝作为(wei)器(qi)件的结(jie)构层可(ke)(ke)耐(nai)高(gao)温，具有高(gao)电阻率、高(gao)击穿(chuan)电压强度和低介(jie)电损耗(hao)，并且可(ke)(ke)以得到高(gao)品质因数(shu)、高(gao)频机电耦(ou)合(he)系数(shu)。

晶体(ti)谐振器

6.薄膜材料

AlN薄膜(mo)材料(liao)是一种性(xing)能良(liang)好的压电材料(liao)，具有(you)C轴结晶取(qu)向，在高(gao)温(wen)(wen)下有(you)良(liang)好的热稳(wen)定性(xing)和压电性(xing)，能在接近(jin)1200℃的高(gao)温(wen)(wen)环境下工作(zuo)，以满足在高(gao)温(wen)(wen)恶劣(lie)环境下工作(zuo)的要(yao)求。AlN薄膜(mo)可在微模块、传感器(qi)、集成电路和有(you)源元件、MEMS 中(zhong)获(huo)得应(ying)用(yong)。基于氮化铝薄膜(mo)高(gao)温(wen)(wen)压力传感器(qi)应(ying)用(yong)在航天器(qi)的飞行控制中(zhong)。

关于AlN薄膜材料的应(ying)用可(ke)以详细阅(yue)读以下(xia)文章：

7.光电器(qi)件材料(liao)

以(yi)往，硅基集成光(guang)(guang)(guang)子学(xue)能够为功能器件提供(gong)有(you)效解决方案(an)，并且(qie)其制(zhi)造工艺(yi)与(yu)成熟的(de)互补(bu)式金属氧化(hua)物半导(dao)体(CMOS)制(zhi)造技术兼(jian)容。然而(er)，硅基材料存在(zai)诸多(duo)限制(zhi)：仅(jin)1.1 eV的(de)间接带隙、大于1.1μm的(de)透明(ming)波长，以(yi)及不显(xian)著的(de)二(er)阶非线(xian)性光(guang)(guang)(guang)学(xue)特(te)性。氮化(hua)铝作为CMOS兼(jian)容材料，可以(yi)克服(fu)这些限制(zhi)。它(ta)(ta)具有(you)6.2 eV的(de)宽(kuan)带隙、从紫外(wai)到中红外(wai)宽(kuan)的(de)透明(ming)波长，以(yi)及显(xian)著的(de)二(er)阶非线(xian)性光(guang)(guang)(guang)学(xue)效应。此(ci)外(wai)，它(ta)(ta)还表现(xian)出压(ya)电(dian)(dian)和热电(dian)(dian)效应，这使得(de)它(ta)(ta)在(zai)光(guang)(guang)(guang)学(xue)机械设备(bei)和热电(dian)(dian)光(guang)(guang)(guang)电(dian)(dian)探测(ce)器中具有(you)广阔(kuo)的(de)应用潜(qian)力。

总结

宇航(hang)(hang)器(qi)件对电(dian)子(zi)功能陶(tao)(tao)瓷选(xuan)用的(de)高要求(qiu)，促使研究人员不断关注材(cai)(cai)料结(jie)构成分的(de)调控(kong)，不断开展结(jie)构细晶化、功能一体(ti)化、高频低损(sun)耗化的(de)氮(dan)化铝陶(tao)(tao)瓷攻关。尤其(qi)是，随(sui)着宇航(hang)(hang)器(qi)件对承载、导热(re)、电(dian)绝缘(yuan)等结(jie)构功能一体(ti)化需求(qiu)的(de)提(ti)升(sheng)，兼(jian)具力、热(re)、电(dian)性能的(de)AlN陶(tao)(tao)瓷将(jiang)成为新(xin)型(xing)应用材(cai)(cai)料，有望成为新(xin)一代空间(jian)大(da)功率(lv)器(qi)件基(ji)板、高温封装(zhuang)体(ti)、高密(mi)度(du)半导体(ti)平台和高温高频高功率(lv)电(dian)子(zi)器(qi)件的(de)潜力材(cai)(cai)料。但是宇航(hang)(hang)器(qi)件所(suo)选(xuan)用的(de)材(cai)(cai)料及(ji)其(qi)所(suo)面临的(de)飞行(xing)环(huan)境都是独特的(de)，所(suo)用材(cai)(cai)料除(chu)必须满足任务的(de)基(ji)本(ben)性能要求(qiu)外(wai)，还必须具备耐受(shou)空间(jian)环(huan)境考(kao)验(yan)的(de)性能稳定性。探索 AlN陶(tao)瓷(ci)在宇(yu)航(hang)器件中(zhong)的(de)(de)(de)(de)应(ying)(ying)用潜力，还需要全(quan)面考核(he)AlN的(de)(de)(de)(de)空(kong)间环境适应(ying)(ying)性(xing)，更(geng)待(dai)进一步加强(qiang)对氮化铝材料(liao)和工艺与(yu)宇(yu)航(hang)器件的(de)(de)(de)(de)贯通性(xing)、结合性(xing)、兼(jian)容性(xing)的(de)(de)(de)(de)系统(tong)研究(jiu)。随着对AlN陶(tao)瓷(ci)更(geng)加深入的(de)(de)(de)(de)探讨，有助于实现高性(xing)能AlN材料(liao)在航(hang)天领域(yu)的(de)(de)(de)(de)广泛应(ying)(ying)用。

参考(kao)来源：

1.高热导电绝缘(yuan)氮化铝(lv)陶瓷在宇航(hang)器件中的(de)应用：概述(shu)、挑战和展(zhan)望，何(he)端鹏、黄雪吟(yin)、任刚、汪洋、于翔天、李岩(yan)、邢焰、高鸿（硅酸(suan)盐学报）；

2.高(gao)导热氮化铝基(ji)板在航(hang)空工业(ye)的应用研究，严(yan)光能、邓先友、林金(jin)堵（印制(zhi)电路信息）。

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