【原创】氮化铝陶瓷烧结技术大揭秘


来源:中国粉体网   山川

[导读]  烧结过程是氮化铝陶瓷制备的一个重要阶段,直接影响陶瓷的显微结构如晶粒尺寸与分布、气孔率和晶界体积分数等,因此烧结技术成为制备高质量氮化铝陶瓷的关键技术。

中国粉体网讯  氮化铝具有高热导率、良好的电绝缘性、低介电常数、无毒等性能,应用前景十分广阔,特别是随着大功率和超大规模集成电路的发展,集成电路和基片间散热的重要性也越来越明显。因此,基片必须要具有高的导热率和电阻率。


为满足这一要求,国内外研究学者开发出了一系列高性能的陶瓷基片材料,其中主要包括:Al2O3、BeO、AlN、BN、Si3N4、SiC,其中氮化铝是综合性能最优良的新型先进陶瓷材料,被认为是新一代高集成度半导体基片和电子器件的理想封装材料。


(图片来源:深圳市佳日丰泰电子科技有限公司)


烧结过程是氮化铝陶瓷制备的一个重要阶段,直接影响陶瓷的显微结构如晶粒尺寸与分布、气孔率和晶界体积分数等。因此烧结技术成为制备高质量氮化铝陶瓷的关键技术。氮化铝陶瓷常用的烧结技术有无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结等。


无压烧结



热压烧结


热压烧结是对装入模具的粉体同时加热加压,使粉料处于热塑性状态,从而产生两种特殊的传质过程,即晶界滑移和挤压蠕变传质。这两种传质过程在普通烧结过程中基本是不存在的,有助于颗粒的接触扩散和流动传质过程的进行,从而降低烧结温度和气孔率。


其中高压烧结可以称之为热压烧结的一种特殊形式,它不同于常规热压烧结之处在于陶瓷坯体高温烧结时施加的外来压力更高,一般要大于1.0GPa。在这样的高压下进行烧结,不仅能够使材料迅速达到高致密度,而且有可能使得晶体结构甚至原子、电子状态发生变化,从而赋予材料在无压烧结或热压烧结工艺下所达不到的性能。


放电等离子烧结




微波烧结


微波烧结是通过物质吸收微波的能量而进行自身加热,其加热过程在坯体整个体积内同时进行,升温迅速、温场均匀。此外,微波烧结本身也是一种活化烧结的过程,因此整个加热烧结的时间特别是高温反应期大大缩短。这些特点有利于提高致密化速度并可有效抑制晶粒生长,从而获得常规烧结方法无法实现的独特的性能和结构,因此具有良好的发展前景。


微波烧结是一种新型、高效的烧结技术,具有传统烧结技术无可比拟的优越性。不添加任何烧结助剂的微波烧结法被认为是一条获得AlN透明陶瓷非常有前途的低成本化技术途径,但是受微波烧结设备的限制,通常很难获得较低的烧结温度,因此,有必要开展微波低温烧结工艺制备AlN透明陶瓷的研究。


总结


氮化铝陶瓷的烧结十分复杂,AlN属于共价键化合物,熔点高,原子自扩散系数小,因此,纯AlN陶瓷很难烧结致密化,难以获得高的热导率和良好的机械强度。因而,AlN陶瓷烧结需要保护气氛以及添加少量的烧结助剂,目前采用最多的仍为添加烧结助剂的氮气保护下的常压烧结。


参考来源:


[1]袁文杰等.高热导率氮化铝陶瓷的研究进展

[2]燕东明等.高热导率氮化铝陶瓷研究进展

[3]丁利文等.AlN陶瓷的性能及应用

[4]孙悦等.烧结气氛对氮化铝陶瓷结构与性能的影响


(中国粉体网编辑整理/山川)

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