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中(zhong)国(guo)航天事(shi)业的快速(su)发展促使航天器(qi)用超大规(gui)模集成电路及电子器(qi)件(jian)向高(gao)(gao)(gao)密度(du)、高(gao)(gao)(gao)频、高(gao)(gao)(gao)功(gong)率、高(gao)(gao)(gao)可靠性、微(wei)型化(hua)、多功(gong)能(neng)(neng)化(hua)方向发展。器(qi)件(jian)的热(re)(re)流密度(du)随之增加，散(san)热(re)(re)问题逐(zhu)渐凸(tu)显，散(san)热(re)(re)材料是影响器(qi)件(jian)传热(re)(re)性能(neng)(neng)和可靠性的关键。因(yin)此(ci)，高(gao)(gao)(gao)导热(re)(re)电绝缘材料成为电子系(xi)统高(gao)(gao)(gao)度(du)集成化(hua)和小型化(hua)的突破口，其(qi)中(zhong)，电子陶瓷成为解决散(san)热(re)(re)问题的重要方向。

AlN陶瓷(ci)具(ju)有优异的(de)(de)综合性(xing)能，尤(you)其是其出色(se)的(de)(de)导(dao)热性(xing)能，因而被广泛用于(yu)电(dian)子(zi)电(dian)气系统；作(zuo)为结构(gou)功能一体(ti)化(hua)的(de)(de)陶瓷(ci)材(cai)料，其介电(dian)性(xing)能也(ye)逐渐获得(de)足够的(de)(de)重视，用于(yu)高功率微波管(guan)的(de)(de)输能窗等；良(liang)(liang)好(hao)的(de)(de)良(liang)(liang)好(hao)的(de)(de)电(dian)绝缘性(xing)能，可以用作(zuo)半导(dao)体(ti)表面钝(dun)化(hua)、半导(dao)体(ti)基板(ban)材(cai)料和电(dian)子(zi)元器(qi)件的(de)(de)陶瓷(ci)封装材(cai)料；此外(wai)，AlN陶瓷(ci)也(ye)可用于(yu)光学陶瓷(ci)材(cai)料。

AlN陶瓷在宇(yu)航器件中(zhong)的应用

由于(yu)AlN陶瓷具有优异的综(zong)合性能而被广泛应用于(yu)航天(tian)电子的各个(ge)领域。基于(yu)其材(cai)料(liao)功能特性，AlN陶瓷材(cai)料(liao)可(ke)用作覆铜基板材(cai)(cai)料(liao)(liao)、电子封装(zhuang)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、超高(gao)(gao)温器件(jian)封装(zhuang)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、高(gao)(gao)功(gong)率器件(jian)平台(tai)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、高(gao)(gao)频(pin)器件(jian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、传(chuan)感(gan)器薄膜材(cai)(cai)料(liao)(liao)、光(guang)学电子器件(jian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、涂层及功(gong)能增(zeng)强材(cai)(cai)料(liao)(liao)等。

1.覆铜基板材(cai)料

在航天器的电源控制器设(she)计中，采用了大量表面(mian)贴(tie)装方式组装，常用的基板材(cai)料为FR-4材(cai)料。然而，FR-4的线膨胀系数较高（一(yi)般大于10×10^–6/℃），焊装器件时(shi)，具有热失(shi)配(pei)风险，造成开(kai)裂失(shi)效(xiao)，可靠性(xing)下(xia)降(jiang)。目(mu)前，先进(jin)的封装工艺中采用了高性(xing)能氮(dan)化铝(lv)陶瓷(ci)板作为导热基板，在氮(dan)化铝(lv)上(shang)面(mian)(mian)直接键(jian)合(he)铜(tong)，进(jin)一步设计电路，表面(mian)(mian)贴装晶体(ti)管(guan)、功率二极管(guan)。

覆(fu)铜板具有(you)氮(dan)化铝(lv)的(de)导热(re)性(xing)能(neng)和机械强度(du)，同时兼具铜的(de)导热(re)性(xing)能(neng)和导电(dian)(dian)性(xing)能(neng)，因(yin)而在(zai)宇航(hang)领域应用潜力很大。此外，“铜–氮(dan)化铝(lv)–铜”夹层结构在(zai)电(dian)(dian)子系统的(de)模(mo)块化和集(ji)成(cheng)化中可起到关键作用，它作为电(dian)(dian)源模(mo)块的(de)机械支撑、电(dian)(dian)气隔离和散热(re)路径(jing)。值(zhi)得注意的(de)是，氮(dan)化铝(lv)覆(fu)铜板在(zai)应用当中，AlN与Cu之间的(de)界面结合至(zhi)关重要，界面物相决定了陶瓷与金属(shu)铜层间的(de)结合力。氮(dan)化铝(lv)覆(fu)铜板的(de)常规制备工艺包括(kuo)热(re)压法(fa)和直接覆(fu)铜法(fa)(DBC)。

AlN覆铜(tong)基板

2.封装材(cai)料/增(zeng)强填(tian)料

电(dian)子(zi)(zi)元器件(jian)的集成度越来(lai)(lai)(lai)越高(gao)，热(re)(re)(re)源(yuan)增多导(dao)(dao)致热(re)(re)(re)密度越来(lai)(lai)(lai)越大，因而选(xuan)用封(feng)装(zhuang)体(ti)要(yao)求(qiu)具有优异导(dao)(dao)热(re)(re)(re)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。高(gao)导(dao)(dao)热(re)(re)(re)AlN作为封(feng)装(zhuang)体(ti)材料(liao)，需(xu)要(yao)考虑其力学性(xing)(xing)(xing)能(neng)和(he)加工工艺；对于共烧基(ji)片，需(xu)要(yao)考虑导(dao)(dao)体(ti)浆料(liao)与(yu)陶瓷流延(yan)片之间热(re)(re)(re)配性(xing)(xing)(xing)。锂离子(zi)(zi)电(dian)池管理系统中(zhong)，采(cai)用氮化(hua)铝导(dao)(dao)热(re)(re)(re)基(ji)片来(lai)(lai)(lai)承载金属-氧(yang)化(hua)物半导(dao)(dao)体(ti)场效应晶体(ti)管（MOS管）、二(er)极管、变压器等(deng)功率(lv)器件(jian)，取代导(dao)(dao)热(re)(re)(re)硅(gui)胶片，可大大提升(sheng)系统的散热(re)(re)(re)能(neng)力。

AlN多层封(feng)装基板

另外，也(ye)可采用AlN作(zuo)(zuo)为金属或者聚合(he)物的增强体制备出封装材料(liao)(liao)。对于(yu)AlN纳米(mi)颗粒，用作(zuo)(zuo)结构(gou)材料(liao)(liao)的弥散增强相(xiang)，能(neng)有效改(gai)善(shan)基体材料(liao)(liao)的热学(xue)性能(neng)和机械性能(neng)。如(ru)金属基AlN材料(liao)(liao)在复合(he)温度(du)下，由于(yu)氮化铝的惰(duo)性允许复合(he)反应时间延长，从而实(shi)现界面的有效调(diao)控。AlN填料(liao)(liao)还(hai)可用来调(diao)控聚合(he)物的导热率(lv)和刚度(du)，降低其热膨胀系数(shu)，被看作(zuo)(zuo)是(shi)取代Al₂O₃和SiO₂用作塑(su)封材料最有前(qian)景的填料。

3.超高温封装材(cai)料

目前(qian)市场上(shang)的封装技术大多(duo)是为硅基微电子(zi)器件开发的，然(ran)而，硅基器件仅适(shi)用于150℃以下工作，功率(lv)密度限制(zhi)在(zai)200 W/cm²以下(xia)，一旦(dan)面临(lin)高(gao)温环境(jing)，传(chuan)统的封(feng)装材料(liao)会失效或降(jiang)解(jie)，此外，热膨胀不匹配(pei)导致的高(gao)热应力会导致永久的结构(gou)层面的机械故障(zhang)。AlN的熔点高(gao)达2500℃，可用作高(gao)温耐热材料(liao)，同时热膨胀系数相对较低，接近于Si及SiC，能够提(ti)供(gong)更好(hao)的热可靠性(xing)。

用(yong)AlN陶瓷可制备超高(gao)温氮化铝封(feng)装(zhuang)微电子器(qi)件(jian)，未来这些(xie)器(qi)件(jian)能有效解决航(hang)空航(hang)天(tian)发动机(ji)控(kong)制器(qi)和长期(qi)金星(xing)探测器(qi)（超高温星(xing)表环境）的(de)应用需求。一些(xie)商(shang)用氮(dan)化铝材(cai)料在高(gao)温下表(biao)现出(chu)高(gao)介电(dian)(dian)(dian)(dian)常数和高(gao)介电(dian)(dian)(dian)(dian)损耗，从而导致氮(dan)化铝封(feng)装的(de)高(gao)寄生参数（电(dian)(dian)(dian)(dian)阻寄生、电(dian)(dian)(dian)(dian)容寄生、电(dian)(dian)(dian)(dian)感寄生），降低电(dian)(dian)(dian)(dian)路速度，改变频率响应。在氮(dan)化铝表(biao)面设计涂(tu)上玻璃涂层，然后(hou)再进行厚膜金(jin)属(shu)化的方(fang)法，可在(zai)高达 500℃的温度下显著(zhu)降低氮化铝封装(zhuang)的寄生效应(ying)。

4.高功率器件平台(tai)材(cai)料(liao)

航天器太阳电(dian)池翼(yi)会产生几(ji)十千瓦以(yi)上的电(dian)功率传输至(zhi)舱体内部，根据机构选用材(cai)料(liao)的要求，功率传输的绝缘(yuan)材(cai)料(liao)需(xu)具备一(yi)定的电(dian)绝缘(yuan)性能(neng)及较高的热传导性能(neng)，还需(xu)要具有优异的机械承载能(neng)力，因而材(cai)料(liao)设计方(fang)向必须(xu)是结(jie)构功能(neng)一(yi)体化材(cai)料(liao)。

无(wu)线(xian)收(shou)发(fa)系统中，收(shou)发(fa)组件（T/R组件）的(de)(de)固态放大电路已经采用输出功率更(geng)高(gao)的(de)(de)宽禁带半(ban)导体功率器(qi)件，发(fa)热密(mi)度向上千W/cm²迈进，因而需要选用(yong)高(gao)导(dao)(dao)热材(cai)料将内部逐渐累积的热量传导(dao)(dao)至(zhi)散热器，避免组件内部温度过高(gao)。因此(ci)，对于高(gao)功率射频平台(tai)来说(shuo)，有效地(di)将热量从有源区域的通道中传导(dao)(dao)出去意(yi)义重(zhong)大。在高(gao)导(dao)(dao)热宽(kuan)禁带的氮(dan)(dan)化(hua)物半导(dao)(dao)体材(cai)料中，AlN的导(dao)(dao)热系数为(wei)320 W/(m·K)，高(gao)于单晶GaN的230 W/(m·K)，在热传导(dao)(dao)方面，氮(dan)(dan)化(hua)铝比(bi)氮(dan)(dan)化(hua)镓更具有传热优势(shi)。

高功率器件中(zhong)半导体材料的性能对比

5.高频器件材料

氮化铝成(cheng)为替代(dai)微(wei)波管中(zhong)传(chuan)统高(gao)纯氧化铝陶瓷和有(you)毒(du)氧化铍陶瓷的(de)有(you)力(li)材料，可(ke)以用作(zuo)微(wei)波管的(de)集电(dian)(dian)极(ji)、夹(jia)极(ji)和能(neng)量(liang)传(chuan)输(shu)窗口(kou)。微(wei)波窗口(kou)用来(lai)传(chuan)输(shu)高(gao)频能(neng)量(liang)，因(yin)此(ci)其介(jie)电(dian)(dian)损(sun)耗必须尽可(ke)能(neng)小，而氮化铝的(de)介(jie)电(dian)(dian)损(sun)耗可(ke)低至 1×10^–4，当(dang)窗口(kou)热(re)量过高时，氮化铝窗口(kou)首先将(jiang)器件内部振荡的电(dian)磁(ci)能量输出到波导系统，有效保证器件的安(an)全性。

星(xing)载加速度(du)计、陀螺仪(yi)、振(zhen)荡(dang)器、滤波器可(ke)设计使用氮化铝谐振(zhen)器。氮化铝作(zuo)为器件的结构(gou)层可(ke)耐(nai)高(gao)温，具有高(gao)电阻率、高(gao)击穿电压强度(du)和低(di)介电损耗，并且可(ke)以得(de)到高(gao)品质因(yin)数、高(gao)频(pin)机(ji)电耦合系数。

晶体(ti)谐振器

6.薄膜材料(liao)

AlN薄膜材(cai)(cai)料是一(yi)种性能良好的(de)压(ya)电(dian)材(cai)(cai)料，具有C轴结晶取向，在(zai)高温(wen)下(xia)有良好的(de)热稳(wen)定性和压(ya)电(dian)性，能在(zai)接(jie)近1200℃的(de)高温(wen)环境下(xia)工作，以满足在(zai)高温(wen)恶(e)劣环境下(xia)工作的(de)要求。AlN薄膜可(ke)在(zai)微模块、传(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、集成电(dian)路和有源元件、MEMS 中获得应用。基于氮化铝薄膜高温(wen)压(ya)力传(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)应用在(zai)航天(tian)器(qi)的(de)飞行(xing)控制中。

关(guan)于AlN薄膜材(cai)料的应用可以详(xiang)细(xi)阅(yue)读(du)以下文章：

7.光电器件材料

以(yi)往，硅基集成(cheng)光(guang)子学(xue)能(neng)够为(wei)功能(neng)器件提供有(you)(you)效(xiao)解(jie)决方案，并(bing)且其制(zhi)造工艺与(yu)成(cheng)熟的互补式金属氧(yang)化物(wu)半导(dao)体(CMOS)制(zhi)造技术兼(jian)容(rong)。然而，硅基材料(liao)存在诸多限(xian)制(zhi)：仅(jin)1.1 eV的间接(jie)带隙、大于(yu)1.1μm的透明波(bo)长(zhang)，以(yi)及(ji)(ji)不显著的二阶非线(xian)性光(guang)学(xue)特性。氮化铝(lv)作为(wei)CMOS兼(jian)容(rong)材料(liao)，可以(yi)克服这些限(xian)制(zhi)。它具(ju)有(you)(you)6.2 eV的宽(kuan)(kuan)带隙、从紫(zi)外到中红外宽(kuan)(kuan)的透明波(bo)长(zhang)，以(yi)及(ji)(ji)显著的二阶非线(xian)性光(guang)学(xue)效(xiao)应(ying)。此(ci)外，它还表(biao)现(xian)出压电和热电效(xiao)应(ying)，这使得它在光(guang)学(xue)机械设备和热电光(guang)电探测器中具(ju)有(you)(you)广阔的应(ying)用潜力。

总结

宇(yu)航器(qi)件(jian)对(dui)电(dian)子(zi)(zi)功能(neng)(neng)(neng)陶瓷选(xuan)用的(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)要求(qiu)，促(cu)使研究人员不断关注材料结(jie)构成分的(de)(de)(de)调(diao)控(kong)，不断开展结(jie)构细晶(jing)化(hua)(hua)、功能(neng)(neng)(neng)一体(ti)化(hua)(hua)、高(gao)(gao)(gao)频(pin)低损耗化(hua)(hua)的(de)(de)(de)氮化(hua)(hua)铝陶瓷攻关。尤其是，随着宇(yu)航器(qi)件(jian)对(dui)承(cheng)载(zai)、导(dao)(dao)热(re)、电(dian)绝缘(yuan)等结(jie)构功能(neng)(neng)(neng)一体(ti)化(hua)(hua)需求(qiu)的(de)(de)(de)提升，兼具(ju)力、热(re)、电(dian)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)AlN陶瓷将(jiang)成为新型应用材料，有望成为新一代空间大功率(lv)器(qi)件(jian)基板、高(gao)(gao)(gao)温(wen)封装(zhuang)体(ti)、高(gao)(gao)(gao)密(mi)度(du)半(ban)导(dao)(dao)体(ti)平台和(he)高(gao)(gao)(gao)温(wen)高(gao)(gao)(gao)频(pin)高(gao)(gao)(gao)功率(lv)电(dian)子(zi)(zi)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)潜(qian)力材料。但是宇(yu)航器(qi)件(jian)所选(xuan)用的(de)(de)(de)材料及其所面临的(de)(de)(de)飞行环境(jing)都(dou)是独特的(de)(de)(de)，所用材料除(chu)必(bi)须(xu)满足任务的(de)(de)(de)基本性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)要求(qiu)外，还必(bi)须(xu)具(ju)备耐受空间环境(jing)考验的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)稳(wen)定性(xing)(xing)。探索 AlN陶瓷在(zai)宇航器(qi)件中的(de)(de)(de)应(ying)用潜力，还需要全面考核AlN的(de)(de)(de)空间环境适应(ying)性，更(geng)待进一步加强对氮化铝材料(liao)和工艺与宇航器(qi)件的(de)(de)(de)贯通性、结合(he)性、兼容性的(de)(de)(de)系(xi)统研究(jiu)。随着对AlN陶瓷更(geng)加深入的(de)(de)(de)探讨，有(you)助(zhu)于(yu)实(shi)现高性能AlN材料(liao)在(zai)航天领域的(de)(de)(de)广泛应(ying)用。

参考来源：

1.高热导电(dian)绝缘(yuan)氮(dan)化铝陶瓷在宇(yu)航(hang)器件(jian)中的应用(yong)：概(gai)述、挑战和展望，何端鹏、黄雪(xue)吟、任刚、汪洋、于翔天、李岩、邢(xing)焰、高鸿（硅(gui)酸盐学报）；

2.高导热氮化(hua)铝基板在航(hang)空工业的应(ying)用研究，严光(guang)能、邓先友(you)、林(lin)金堵(du)（印(yin)制电(dian)路信息）。

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