氮化铝陶瓷的研制及应用
氮化铝陶瓷
氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷AlNF 系列 （Aluminium Nitride Ceramic）结构结构氮化铝陶瓷AlNF 系列是以氮化铝(AIN)为主晶相的陶瓷。
AIN 晶体以〔AIN4〕四面体为结构单元共价键化合物，具有纤锌矿型结构，属六方晶系。
化学组成 AI 65.81%，N 34.19%，比重3.261g/cm3，白色或灰白色，单晶无色透明，常压下的升华分解温度为2450℃。
为一种高温耐热材料。
热膨胀系数（4.0-6.0）X10（-6）/℃。
多晶AIN 热导率达260W/(m.k)，比氧化铝高5-8倍，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热。
此外，氮化铝具有不受铝液和其它熔融金属及砷化镓侵蚀的特性，特别是对熔融铝液具有极好的耐侵蚀性。
性能性能AIN 陶瓷的性能与制备工艺有关。
如热压烧结AIN 陶瓷，其密度为3 .2一3 .3g/cm3，抗弯强度350一400 MPa(高强型900 MPa)，弹性模量310 GPa，热导率20-30W/m*K，热膨胀系数5.6x10(-6)K(-1)(25℃一400℃)。
机械加工性和抗氧化性良好。
应用应用1、氮化铝AlNF 系列粉末纯度高，粒径小，活性大，是制造高导热氮化铝陶瓷基片的主要原料。
2、氮化铝陶瓷基片，热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高，介电损耗小，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料。
3、氮化铝硬度高,超过传统氧化铝,是新型的耐磨陶瓷材料,可用于磨损严重的部位.4、利用AIN 陶瓷耐热耐熔体侵蚀和热震性，可制作GaAs 晶体坩埚、Al 蒸发皿、磁流体发电装置及高温透平机耐蚀部件，利用其光学性能可作红外线窗口。
氮化铝薄膜可制成高频压电元件、超大规模集成电路基片等。
5、氮化铝耐热、耐熔融金属的侵蚀，对酸稳定，但在碱性溶液中易被侵蚀。
AIN 新生表面暴露在湿空气中会反应生成极薄的氧化膜。
利用此特性，可用作铝、铜、银、铅等金属熔炼的坩埚和烧铸模具材料。
氮化铝陶瓷及其用途
两种。其 中立方 晶型仅在 超 高压 与薄膜生 长条件 下才能制 慎 小ｌ 心。此反 应属 气固扩散控制 ， 故需 高温长 时问反 应 ， 生 取 。常见 的 ＡＮ陶 瓷均 呈 六 方纤锌 矿 结构 。理 论 密度 为 成物 晶粒粗 大，质 量稳 定性差 。为加 速 氮化反 应 ，需引入 Ｉ
０ 烧成 时间为 ４ ６ ８小 时的 ７０ ０ ℃进行脱碳 处理 ， 击除 多余 的碳 素 ， 以获得 细粒度 、 氧 效 降低烧 结温度 的助 剂 在 １ ０ ℃， 含 条件 下 ， 可使 ＡＮ陶瓷材料 的热 导率接 近 ２ ０ ／ ・。 由于 ］ ４Ｗｍ Ｋ Ｌ ４铝 卤化物与 氟反 应法 该法 亦称 气相 法 ，其反应 式 为： １ １ Ｎ 『＋ １ ＋ Ｈ ］ Ａ ｃ Ｈ＿Ａ Ｎ ３ Ｃ ３ 一 由于形成副产 品 Ｈ １在产 业化 生产 时处理 比较麻 烦 Ｃ，
匀。
１ 氮化铝 陶瓷粉 末制备
１３碳 熟还原氟化 法 ．
该 法 反 应 式 为 ：ｌ ３３ ＋ ｒ Ａ Ｋ ３Ｏ 为 确 保 反 应 完 Ａ ２ ＋Ｃ Ｋ ２ ｌ ＋ｃ ０
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粉 末制备技 术与材料 工艺的不 断改进 ，从热 学到机械 性能
方 面研 制 Ａ Ｎ 复合 陶瓷材料 也取得诸 多进展 Ａ Ｎ陶瓷 １基 ］
的应 用范围正在 突破 电子及信 息材料 等领域 范围。
通 过 颗 粒 与 晶 颁 来增 韧 补 强 Ａ Ｎ陶 瓷 ， 可 以制 造 】 Ｓ Ｃ Ａ Ｎ复台 材料及 Ｔ Ｃ Ａ Ｎ复夸 材料 在 混合均 匀烧结 ｉ－ １ ｉ １ 助剂 （ 氧化钇 和氧化钙 ） 氮化铝粉 末中引入 经 处理 的分散 的
氮化铝生产工艺
氮化铝生产工艺氮化铝是一种重要的陶瓷材料，具有优良的高温、高硬度、高导热性等性能，在电子、光电子、航空航天等领域有着广泛的应用。
下面将介绍一种常见的氮化铝生产工艺。
氮化铝生产的第一步是原料的准备。
一般使用的原料为高纯度的铝粉和氨气。
铝粉的纯度要达到99.99%以上，以确保最终产品的质量。
同时，也需要密切控制铝粉的粒度和微观形貌，以保证生产过程的稳定性和产品的一致性。
接下来是氮化反应的过程。
首先将铝粉和氨气混合在一起，通过喷嘴或者淋雨式机构将混合气体喷入反应炉中。
反应炉的温度一般控制在1000℃以上，同时需要提供适当的压力和气体流量，以保证反应的进行。
在反应炉中，铝粉与氨气发生化学反应，生成氮化铝的颗粒。
这个反应是一个自发放热反应，因此反应炉的散热和温控也是非常重要的。
接下来是氮化铝的后处理。
在反应炉中生成的氮化铝颗粒需要经过一系列的物理和化学处理，以得到所需的最终产品。
首先，将颗粒进行干燥和筛分，去除杂质和不合格的颗粒。
然后，将颗粒进行烧结，使其结合成块状。
烧结的过程中需要控制温度和保持一定的压力，以确保颗粒能够充分结合。
最后，对烧结后的块状氮化铝进行机械加工，如切割、抛光等，以得到所需的最终产品。
在氮化铝的生产过程中，需要注意一些关键的工艺参数。
首先是反应炉的温度和压力控制，这直接影响着氮化反应的进行和产物的质量。
其次是原料的选择和处理，这直接影响着最终产品的纯度和性能。
同时，还需要密切控制生产中的环境条件，如气氛、湿度等，以保证生产的稳定性和一致性。
此外，还需要对产生的废气和废液进行处理，以保护环境。
综上所述，氮化铝的生产工艺包括原料准备、氮化反应和后处理等步骤。
通过合理控制各个环节的工艺参数，可以得到优质的氮化铝产品。
未来，随着技术的进步和需求的增加，氮化铝的生产工艺还有望不断优化，以提高产量和降低成本。
【精品文章】氮化铝粉体制备及氮化铝陶瓷烧结方法简介
氮化铝粉体制备及氮化铝陶瓷烧结方法简介
纯氮化铝呈蓝白色，通常为灰色或灰白色。
氮化铝的理论密度为
3.26g/cm3，常压下在2450°C升华分解。
氮化铝材料的优点是室温强度高，且强度随温度升高而下降较缓。
此外，氮化铝陶瓷具有高热导率，是一种良好的耐热冲击材料。
利用它的较高的体积电阻率、绝缘强度、导热率、较低的热膨胀系数和介电常数，可用作大功率半导体器件的绝缘基片、大规模和超大规模集成电路的散热基片和封装基片。
利用它的高声波传导速度特性，可用作高频信息处理机中的表面波器件。
利用它的高耐火性及高温化学稳定性，可用来制作在1300～2000℃下工作的制取熔融铝、锡、镓、玻璃、硼酐等用的坩埚。
氮化铝已成为新材料领域的重要分支。
一、氮化铝粉体制备
氮化铝陶瓷的制备工艺和性能均受到粉体特性的直接影响，要获得高性能的氮化铝陶瓷，必须有纯度高、烧结活性好的粉体作原料。
氮化铝粉体中的氧杂质会严重降低热导率，而粉体粒度、粒子形态则对成形和烧结有重要的影响。
因此，粉体合成是氮化铝陶瓷生产的一个重要环节。
氮化铝粉体合成的方法很多，其中用于大规模生产的主要有三种，其他一些方法尚未获得普遍应用。
1、铝粉直接氮化法
金属直接氮化法的实质在于金属铝在高温下与氮(或氨)直接反应，生成氮化铝。
铝与氮的反应是放热反应。
当反应开始后停止外部加热，则反应可在加大氮气流量的条件下继续进行到底。
金属铝颗粒表面上逐渐生成氮化物膜，会使氮难以进一步渗透，氮化速度减慢。
所以需要进行2次氮化。
氮化铝陶瓷的研究和应用进展
氮化铝陶瓷的研究和应用进展摘要从氮化铝陶瓷的实际应用领域进行了氮化铝陶瓷应用现状及前景的介绍;从其制备工艺介绍了氮化铝陶瓷的研究状况,并指出了低成本的粉末制备工艺和氮化铝陶瓷的复杂形状成形技术是目前很有价值的氮化铝陶瓷的研究方向。
关键词氮化铝陶瓷;高热导率;应用领域;制备工艺中图分类号 o614文献标识码 a文章编号1674-6708(2010)14-0052-02氮化铝(aln)是一种综合性能优良新型陶瓷材料,具有优良的热传导性,可靠的电绝缘性,低的介电常数和介电损耗,无毒以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良特性,被认为是新一代高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料,受到了国内外研究者的广泛重视.在理论上,aln的热导率为320w/(m),工业上实际制备的多晶氮化铝的热导率也可达100~250 w/(m),该数值是传统基片材料氧化铝热导率的5倍~10倍,接近于氧化铍的热导率,但由于氧化铍有剧毒,在工业生产中逐渐被停止使用。
与其它几种陶瓷材料相比较,氮化铝陶瓷综合性能优良,非常适用于半导体基片和结构封装材料,在电子工业中的应用潜力非常巨大。
1 aln陶瓷的直接应用1.1 aln作为基板材料高电阻率、高热导率和低介电常数是集成电路对封装用基片的最基本要求。
封装用基片还应与硅片具有良好的热匹配、易成型、高表面平整度、易金属化、易加工、低成本等特点和一定的力学性能。
大多数陶瓷是离子键或共价键极强的材料,具有优异的综合性能,是电子封装中常用的基片材料,具有较高的绝缘性能和优异的高频特性,同时线膨胀系数与电子元器件非常相近,化学性能非常稳定且热导率高。
长期以来,绝大多数大功率混合集成电路的基板材料一直沿用a1203和beo陶瓷,但a1203基板的热导率低,热膨胀系数和si不太匹配;beo虽然具有优良的综合性能,但其较高的生产成本和剧毒的缺点限制了它的应用推广。
因此,从性能、成本和环保等因素考虑,二者已不能完全满足现代电子功率器件发展的需要。
氮化铝陶瓷的制作方法
一种氮化铝陶瓷，各组分及组分的重量份数如下：氮化铝4050份，氮化硅810份，氧化镁1520份，高岭土58份，粉煤灰58份，碳粉1012份，氢氧化钾810份，硅溶胶1215份。
本技术提出的氮化铝陶瓷在氮化铝原料的基础上，加入氮化硅、氧化镁、高岭土、粉煤灰、碳粉等材料，相比单一组分的氮化铝陶瓷，性能得到改善，并且造价低，适于大规模生产。
权利要求书1.一种氮化铝陶瓷，其特征在于各组分及组分的重量份数如下：氮化铝40-50份，氮化硅8-10份，氧化镁15-20份，高岭土5-8份，粉煤灰5-8份，碳粉10-12份，氢氧化钾8-10份，硅溶胶12-15份。
2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷，其特征在于各组分及组分的重量份数如下：氮化铝43份，氮化硅9份，氧化镁17份，高岭土6份，粉煤灰6份，碳粉11份，氢氧化钾9份，硅溶胶13份。
3.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷，其特征在于各组分及组分的重量份数如下：氮化铝46份，氮化硅9份，氧化镁18份，高岭土7份，粉煤灰7份，碳粉11份，氢氧化钾9份，硅溶胶14份。
技术说明书一种氮化铝陶瓷技术领域本技术属于陶瓷材料领域，特别是涉及一种氮化铝陶瓷。
背景技术氮化铝陶瓷(Aluminium Nitride Ceramic)是以氮化铝(AIN)为主晶相的陶瓷。
AIN晶体以〔AIN4〕四面体为结构单元共价键化合物，具有纤锌矿型结构，属六方晶系。
化学组成AI65.81％，N34.19％，比重3.261g/cm3，白色或灰白色，单晶无色透明，常压下的升华分解温度为2450℃。
为一种高温耐热材料。
热膨胀系数(4.0-6.0)X10(-6)/℃。
多晶AIN热导率达260W/(m.k)，比氧化铝高5-8倍，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热。
此外，氮化铝具有不受铝液和其它熔融金属及砷化镓侵蚀的特性，特别是对熔融铝液具有极好的耐侵蚀性。
氮化铝陶瓷热导率高，热膨胀系数低，各种电性能优良，机械性能好，抗折强度高，光传输特性好，无毒。
氮化铝陶瓷基板应用现状概述
氮化铝陶瓷基板应用现状概述1.引言1.1 概述概述部分是文章引言的一部分，用于介绍氮化铝陶瓷基板应用现状的背景和重要性。
下面是可以参考的概述部分的内容：在电子设备领域，氮化铝陶瓷基板作为一种重要的材料正在得到广泛的应用。
作为一种具有优异性能和出色特性的材料，氮化铝陶瓷基板在高功率电子器件、半导体封装和照明等领域发挥着重要的作用。
随着科学技术不断发展和进步，氮化铝陶瓷基板的研究和应用也取得了显著的进展。
本文旨在对氮化铝陶瓷基板的应用现状进行全面的概述和总结。
首先，我们将介绍氮化铝陶瓷基板的制备方法，包括常见的工艺和技术。
其次，我们将探讨氮化铝陶瓷基板的物理性质，包括热导率、电导率和机械性能等方面。
这将有助于我们全面了解和认识氮化铝陶瓷基板的优势和特点。
在结论部分，我们将重点讨论氮化铝陶瓷基板的应用领域和发展前景。
我们将介绍目前氮化铝陶瓷基板在高功率电子器件、射频器件和照明领域的应用情况，并展望其未来的发展方向和潜在的应用领域。
此外，我们还将探讨氮化铝陶瓷基板在应用过程中面临的挑战和问题，并提出解决方案和改进建议。
通过全面概述氮化铝陶瓷基板的应用现状，本文将为相关领域的研究人员和工程师提供有价值的参考和指导。
同时，本文也有助于推动氮化铝陶瓷基板的进一步研究和应用，促进其在电子设备领域的广泛应用和发展。
以上是文章概述部分的简要内容，希望对你的长文写作有所帮助。
1.2 文章结构文章结构部分的内容：本文按照以下结构来进行叙述和分析氮化铝陶瓷基板应用现状。
引言部分主要包括概述、文章结构和目的。
在概述部分，将介绍氮化铝陶瓷基板的背景和相关领域的研究进展，指出氮化铝陶瓷基板面临的问题和挑战。
通过准确描述氮化铝陶瓷基板的定义和特点，为后续内容的展开打下基础。
在文章结构部分，将明确规划本文的整体框架。
分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要是引出研究背景和现状，使读者对本文的主题有一个整体的认识。
正文部分将重点介绍氮化铝陶瓷基板的制备方法和物理性质。
浅谈氮化铝的性质、制备及应用
浅谈氮化铝的性质、制备及应用浅谈氮化铝的性质、制备及应用1氮化铝的性质氮化铝（AlN）是一种综合性能优异的先进陶瓷材料，是一种被国内外专家一致看好的新型封装材料，也是目前公认的最有发展前途的高热导陶瓷材料。
对其的研究开始于一个多世纪以前，但当时仅将其用作固氮剂化肥使用。
作为共价化合物的氮化铝，由于其具有较高的熔点和较低的自扩散系数，导致其难以烧结。
直到上世纪50年代，氮化铝陶瓷才被人们首次制得，并作为一种耐火材料使用，而后广泛应用于纯铁、铝以及铝合金的熔炼。
从上世纪70年代以来，随着研究的进一步深入，氮化铝的制备工艺逐渐走向成熟，其应用的领域和规模也不断扩大。
氮化铝是一种共价键化合物，具有六方纤锌矿型结构形态，晶格常数为a=3.11、c=4.98，如图1-1所示。
其理论密度为3.26g/cm3，莫氏硬度为7~8，分解温度为2200~2250℃。
[1]图1-1氮化铝的晶体结构氮化铝陶瓷具有较高的热导率，适应于高功率、高引线和大尺寸芯片；它的热膨胀系数与硅匹配，介电常数较低；其材质机械强度高，在严酷的条件下仍能照常工作。
因此，氮化铝可以制成很薄的衬底，以满足不同封装基片的应用要求。
氮化铝陶瓷作为高热导、高密封材料有很大的发展潜力，是陶瓷封装材料研究的重要发展领域。
人们预计，在基片和封装两大领域，氮化铝陶瓷最终将取代目前的氧化铝陶瓷和氧化铍陶瓷。
[2]氮化铝陶瓷的主要特点如下：1）热导率高，是氧化铝陶瓷的5~10倍，与剧毒氧化铍相当；2）热膨胀系数（4.3×10-6/℃）与半导体硅材料（3.5-4.0×10-6/℃）匹配；3）机械性能好，高于氧化铍陶瓷，接近氧化铝；4）电性能优良，具有极高的绝缘电阻和低的介质损耗；5）可以进行多层布线，实现封装的高密度和小型化；6）无毒，有利于环保。
[3]2氮化铝粉体的制备2.1直接氮化法氮化铝在自然界中不存在，现在是由金属铝粉末直接氮化合成或由Al2O3碳热还原后再直接氮化法制备，其化学反应式为：2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)直接氮化法具有若干优点：1）成本低廉；2）原料丰富；3）反应体系简单，没有副反应；4）反应温度低于碳热还原；5）适合大规模生产。
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氮化铝陶瓷的研制及应用魏军从 陈加庚(河北理工学院材料系,唐山 063000) 摘 要 氮化铝(AlN)因具有高热导率、低介电常数、与硅相匹配的热膨胀系数及其他优良的物理特性,在新材料领域越来越引起人们的关注。
此文主要介绍并分析了AlN粉体合成、烧结、性能结构、AlN陶瓷的应用与前景。
关键词 氮化铝;合成;烧结;显微结构;热导率Development of Aluminum Nitride CeramicsWei Juncong Chen Jiageng(Department of Materials,Hebei Institute of T echnology,T angshan 063000) Abstract The excellent thermal conduction,coupled with other characteristics such as low dielec2 tric constant and the expansion coefficient matched with silicon,makes aluminum nitride a promising ma2 terials,especially for electronic substrates.The developments of aluminum nitride ceramics are discussed, including powder preparation,sintering technology,microstructure investigation,as well as their properties and application. K ey Words aluminum nitride,synthesis,sintering,microstructure,thermal conductivity1 前言氮化铝(AlN)是一种具有六方纤锌矿结构的共价晶体,纯氮化铝呈蓝白色,通常为灰色或灰白色。
晶格常数a=3.110A,c=4.978A。
Al原子与相临的N原子形成岐变的[AlN4]四面体,沿c轴方向Al—N键长为1.917A,另外三个的Al—N键长为1.88A。
AlN的理论密度为3.26g/cm3。
常压下在2450°C升华分解。
有关合成AlN的报道最早出现于1862年。
当时,AlN曾作为一种固氮剂用做化肥。
本世纪50年代,又作为耐火材料用于铝及铝合金等的冶炼。
近二三十年来,随着微电子技术的飞速发展,尤其是混合集成电路(HIC)和多芯片(MC M)对封装技术提出了越来越高的要求,作为电路元件及互连线承载体的基片也获得了相应的进步[1]。
AlN陶瓷因具有高热导率(理论热导率为319W/(m・K))[2]、低介电常数(约为8.8)、与硅相匹配的热膨胀系数(293～773K,4.8×10-6K-1)、绝缘(体电阻率>1014・cm)、无毒等特点,成为一种理想的电子封装材料,应用前景十分广阔。
90年代初,全世界AlN仅用于电子产品就有5.5亿美元的市场,其中半导体的封装占72%。
AlN已成为新材料领域的一大热点,在粉体合成、成形技术、烧结工艺、显微结构等方面的研究都取得了长足的进展。
2 粉体合成AlN陶瓷的制备工艺和性能均受到粉体特性的直接影响,要获得高性能的AlN陶瓷,必须有纯度高、烧结活性好的粉体作原料。
AlN粉体中的氧杂质会严重降低热导率,而粉体粒度、颗粒形态则对成形和烧结有重要的影响。
因此,粉体合成是AlN陶瓷生产的一个重要环节。
AlN粉体合成的方法很多,其中用于大规模3生产的主要有三种,其他一些方法尚未获得普遍应用。
2.1 铝粉直接氮化法Al粉与氮直接化合,以碱金属氟化物(如LiF)为触媒,此法需要Al粉在1000℃以上长期暴露在氮气中才能得到符合化学式的成分。
反应为:2Al+N2=2AlN(1)为防止反应温度超过Al的熔点(660℃),须控制升温速度。
反应在580～600℃开始,但要在1000℃长期与氮反应才能完成。
在650℃和1000℃两个阶段要长期保温。
产品可达99.9%的纯度。
AlN合成的加热速度列于表。
(AlN+N2)合成AlN的加热速度温度(℃)升温时间(h)保温时间(h)20～650616～18650～750 1.53750～1000316～181000～180070.25 这是一种思路简单而直接易行的方法,能合成大量纯度较高的AlN粉,没有什么副反应,目前已用于大规模生产。
AlN粉体的自蔓延法本质上就是铝粉直接氮化法。
金属铝933K时熔化,大约1073K时开始与N2反应。
图中给出了1400～3000K温度范围内反应(1)的自由能变化[3]。
尽管Al在2767K才完全汽化,但低于此温度时Al 的蒸汽压已经很大,反应很容易进行。
由于AlN 大约在2500K开始分解,高于此温度反应(1)的逆反应非常明显,到2800K时,ΔG=0。
反应(1)可以进行得很快,在1823K下只需2s 就能完成,但实际生产中往往在较低的温度(< 1500K)和易于控制的条件下进行反应,这主要是为了提高转化率和防止粉末团聚。
尽管如此,铝粉直接氮化法一般难以得到颗粒微细、粒度均匀的AlN粉,通常需要后处理。
Al粉颗粒表面氮化后形成的AlN层会阻碍N2向颗粒中心的扩散,因而转化率也是合成过程中的一个重要问题。
反应2Al+N2→2AlN的自由能变化2.2 Al2O3碳热还原法Al2O3+3C+N2→2AlN+3C O(2)这种方法目前在工业生产中应用得最为普遍。
一般认为,反应(2)分为两步完成,第一步由C还原生成气相中间产物Al(g)和Al2O(g),然后由第二步氮化生成AlN。
在用Al2O3碳热还原法制备AlN粉体的工艺中,常加入CaO、CaF2、Y2O3等作催化剂,其中加CaF2可以更为有效地降低活化能,提高反应速度。
制备中,总是加适当过量的碳,这样既能加快反应速度,又能提高转化率,还有助于控制粉末团聚和获得理想的粒径分布。
残余的碳可以在空气中837K左右烧除。
用碳热还原法合成的AlN粉体纯度较高,成形和烧结性能都比较好,但合成温度高,反应时间长,粉体粒度也比较大。
2.3 气溶胶(气相反应)法与其他方法相比,气溶胶法最适合于连续生产,而且这种方法可以方便地控制AlN颗粒的成核和生长速率,从而获得尺寸均匀的超细粉。
用AlCl3[4]或铝的金属有机化合物[5]为原料,与NH3经过下述两个气相反应过程合成AlN。
AlCl3+NH3→AlN+3HCl(3)Al(C2H5)+NH3→AlN+3C2H6(4)反应(3)一般在873～1373K的温度范围内进行,随着温度的升高和n(NH3)/n(AlCl3)的增大,转化率及生成AlN粉的结晶程度提高,反应(3)生4成的HCl往往带来不利的影响,用Al(C2H5)3为原料则可避免这一问题,而且(4)的反应温度也比较低,在673K即可迅速完成,生成高纯AlN粉。
2.4 电弧法用两个高纯铝电极在氮气中产生直流电弧,电极之间的电弧高温使Al氮化,铝蒸汽与氮气反应生成AlN。
这种方法可获得高纯度、超细的AlN 粉。
3 烧结AlN自扩散系数小,烧结非常困难。
通过以下三种途径可获得致密的高性能AlN陶瓷:(1)使用超细粉;(2)热压或等静压;(3)引入助结合剂。
其中,第一种途径受粉体性能影响比较大,通常的商业AlN粉无法满足要求,而且超细粉也会给流延成形带来困难;第二种途径适用于高性能的块体AlN,但对AlN流延基片与金属浆料的多层共烧有很大的局限性,不能用于电子封对技术;第三种途径工艺上易于实现,适用于流延成形和无压烧结,有可能获得低成本高性能的AlN陶瓷,为国内外众多研究者和企业所采用。
AlN的常用助烧剂是某些稀土金属氧化物和碱土金属氧化物,如Y2O3、CaO等,烧结温度通常在2073～2123K之间,所获得AlN陶瓷热导率为170～260W/(m・K)。
助烧剂主要起两方面的作用:一方面形成低熔物相,实现液相烧结,促进坯体致密化;另一方面,高热导率是AlN陶瓷的重要性能,而实际AlN陶瓷中由于存在各种缺陷,热导率远低于其理论值319W/(m・K)。
氧杂质是形成缺陷的主要原因,助烧剂的另一个作用就是与AlN中的氧杂质反应,使晶格完整化,进而提高热导率。
Y2O3是AlN陶瓷烧结使用最为普遍的助烧剂,在烧结过程中与AlN颗粒表面Al2O3结合生成钇铝酸盐Y3Al5O12,Y AlO3和Y4Al2O9,它们将Al2O3—Y2O3相图分成4个两相区,具体生成何种物相取决于AlN粉中的含氧量、Y2O3的添加量、烧结温度和反应进行的程度。
通过这些反应,AlN 中的氧进入晶界相,从而净化晶格。
另外,由于AlN陶瓷的烧结通常在石墨电阻炉中的流动N2气氛下进行,在烧结的后期或长时间热处理过程中还会发生还原反应。
Al2O3+3C+N2→2AlN+3C O(5)Y4Al2O3+3C+N2→2AlN+2Y2O3+3C O(6)Y2O3+N2+3C→2Y N+3C O(7)这些反应能减少晶界相,并起到进一步除氧的作用。
在AlN陶瓷的烧结中,传质是反应的控速过程,短时间不可能完成O在AlN中的扩散,实际上由于烧结中引入液相,传质过程变得复杂,除了扩散外,其他传质方式,如溶解2沉析往往更为重要。
这方面的研究还有待进一步深入、系统地开展。
近几年,出于减少能耗、降低成本以及AlN与金属浆料共烧等考虑,开始关注AlN低温烧结技术的研究,并也取得了一些成果。
低温是相对的概念,就AlN而言,低温烧结的温度通常为873～1923K,其关键技术是有效的助烧剂。
人们期望找到能在更低温度下发挥助烧结合作用的添加剂,常常采用一些多元复合体系,以降低助烧液相的熔点。
但有些添加剂也会带来副作用。
如SiO2会在固熔AlN中产生缺陷SiO2→Si Al+2O N+V AlSiO2太多还会形成27R sialon多形体,严重降低AlN陶瓷的热导率;12Ca0.7Al2O3和CaY AlO4也能作为低烧助剂,但金属化AlN会溶解在Ca2 Al2O化合物中,造成基板表面状况不佳。
AlN陶瓷的低温烧结至今仍是一个期待解决的问题,也是AlN陶瓷实用化的一项关键技术。
热导率是AlN陶瓷最重要的性能指标。
AlN靠声子传热,晶格中各种缺陷对声子的散射会降低热导。
由于AlN对氧有强烈的亲和作用,氧杂质在AlN中的固熔是形成缺陷的主要原因。
Al2O3→2Al Al+3O N+V Al在选择AlN陶瓷助烧剂时,应遵循以下原则:5(1)能在较低的温度与AlN颗粒表层的Al2O3发生共熔,产生液相,这样才能降低烧结温度;(2)产生的液相要对AlN颗粒具有良好的浸润性,才能有效地起到烧结作用;(3)添加剂与Al2O3有较强的结合能力,以利于除去氧杂质,净化AlN晶格;(4)液相的流动性要好,烧结后期在AlN晶粒生长过程的驱动下向三角晶界流动,而不致于形成AlN晶粒的热阻层;(5)添加剂最好不与AlN反应,否则既容易产生晶格缺陷,又难以形成多面体形态的AlN完整晶型。