当前位置: 陶瓷 >> 陶瓷市场 >> 浅谈氮化铝陶瓷烧结和显微结构
AlN陶瓷基片具有热导率高、热膨胀系数与单晶硅接近、机械强度高、电绝缘性好且无毒等优异性能,是一种理想的基片材料。AlN的热导率约为Al2O3的8倍,又能克服Al2O3瓷和BeO瓷与硅片间存在的热失配缺陷,同时还可进行多层布线。
致密度和纯度是影响AlN陶瓷热导率的两个主要因素。大量气孔的存在,会导致AlN导率的显著下降。除致密度或气孔率的影响外,AlN的热导率对杂质非常敏感。氧是AlN材料中的主要杂质,氧可以以Al0.的方式进入到AlN晶格中,每进入3个氧就会相应地出现1个Al空位,所以,随着氧在AlN晶格中的固溶度增加,AlN的晶格常数将降低。因为晶格中的氧具有高置换可溶性,容易形成氧缺陷,其缺陷方程如下:Al2O3→3AlN2AlXAl+30·N+VAl,AL位置上由于生成Al空位,晶格点的原子质量由27变为0,形成声子的非简谐运动,致使热导率显著下降。
任何杂质的固溶都会显著降低高热导率材料的导热性能。如果固溶时伴随着晶格空位的出现,则降低热导率的作用将更强。这是因为晶格原子被其他原子取代或空位的出现都将增强对载热声子的散射作用。AlN晶格中的氧杂质之所以能显著降低材料的热导率,其原因就在于此。当然杂质存在的部位不同,其对热导率的影响也不同。
应该指出,烧结助剂及其显微结构会强烈影响AlN陶瓷的热导率。为此,在烧结过程中,有以下几个希望:
①烧结终了时,烧结助剂所形成的第二相存在于AlN陶瓷中要少;
②尽量减少陶瓷晶界面第二相数量,以净化晶界,有利于AlN晶粒间的相互接触;
③AlN陶瓷第二相应大量或完全处于三叉晶界之处。
AlN陶瓷当今的核心和关键的性能指标是高热导率,这也是AlN陶瓷品质分级的依据。美国CMC公司将AlN陶瓷按热导率分为四档:
①HBLED级(λ≥W/m·K);
②标准级(λ≥W/m·K);
③高热导级(λ≥W/m·K);
④超高热导级(λ≥W/m·K)。
随着热导率数值的提高,其价格亦应上调.目前,日本丸和(MARU-WA)、京瓷(KYOCERA)和德山曹达(TOKUYA-MA)等公司均有λ≥W/m·K的产品出售,但价格昂贵。
AlN陶瓷的显微结构直接影响其各种性能,而显微结构又是被Y-Al-O二次相对AlN晶体表面和晶界的浸润特性所影响或控制。因而,Y2O3系烧结助剂的组分和数量对AlN陶瓷的烧结和最终显微结构优良与否是十分重要的。
一.实验方法
采用日本德山曹达公司H级和E级AlN粉体,其化学成分见表1。
二.结果和讨论
1.烧结助剂添加的必要性和原则
AlN属于共价键化合物,自扩散系数很小,烧结致密化非常困难。但是,理想的显微结构,首先应该是使陶瓷具有高致密度。因此,通常的方法是加入烧结助剂,例如Y2O3,CaO等。烧结助剂的组成、性能和数量是十分重要的。周和平等在总结前人研究的基础上,认为选择AlN陶瓷烧结助剂应遵循以下的原则:
①能在较低的温度下与AlN颗粒表面的氧化铝发生共熔,产生液相;
②产生的液相对AlN颗粒有良好的浸润性;
③烧结助剂与氧化铝有较强的结合能力,以便能除去杂质氧,净化AlN晶界;
④在烧结后期,液相应向三叉晶界处流动;
⑤烧结助剂不与AlN发生化学反应。应该指出,这些原则为陶瓷烧结致密化提供了相关的前提与保证。
2.氧化铝系烧结助剂的浸润特性
氧化铝系烧结助剂是目前AlN陶瓷烧结常用和主流的组分。在高温烧结下,氧化铝可以与添加的氧化铝粉体或AlN颗粒表面上的氧化铝薄层发生反应并形成Y-Al-O相,并在烧结温度下形成低熔点液相,例如:YAG(Y3Al5O12,熔点℃),YAP(YAl2O3,熔点℃),YAM(Y4Al2O9,熔点℃)等所形成的液相。这些液相对陶瓷致密化性能的提高方面起到了关键的作用。
此外,Y2O3组分对Al2O3有很高的亲和力,在高温和长时间的保温条件下会起反应,可以排除或降低AlN晶格中的氧含量,以提高AlN陶瓷的热导率。
作者根据鲍林元素的“负电性”概念,对Y2O3、Al2O3、AlN化合物离子键所占有的成分,进行了计算,得出其离子键的比例分别为:Y2O3为76%,Al2O3为63%和AlN为47%,表明前两者主要为离子键,而后者主要为共价键。根据“相近相亲”的原则,Y2O3系熔体对Al2O3是可以浸润的,而对AlN则不能。在烧结的后期和终了,由于YAl-O烧结助剂中,Y2O3成分的提高和AlN陶瓷表面氧的减少,因而,二次相对AlN陶瓷的浸润性逐渐降低以致失浸润,致使Y-Al-O液相大量或完全在三叉晶界处沉积,如图1所示(箭头所指为二次相)。这显示良好显微结构的陶瓷,它除了有较高的热导率外,还具有机械强度大、电绝缘性能好以及还能形成坚固的陶瓷金属化层等优点。
氧化铝系熔体对氮化铝陶瓷烧结时的浸润特性,可参考不同二面角情况下的第二相分布的演变来对照分析。见图2。图2(e)为二次相完全处于三叉晶界之中。
三、结论
从理论上讲,为了制取高热导率的AlN陶瓷,应该采取的主要技术措施如下:
(1)应用高纯度、低杂质含量的AlN粉体,特别AlN晶格中氧含量要严格控制,使其降到最低,以减少氧缺陷、Al空位。
(2)应用适当的烧结助剂,从而在烧结初期即形成低熔点二次相,实现液相烧结,以使AlN陶瓷中气孔率减少、致密度提高。
(3)AlN陶瓷烧结后期或终了,烧结助剂第二相应对Al2O3是浸润的,而对AlN是失浸润的。这样,二次相一方面可以夺取Al2O3中的氧,从而减少AlN晶格中的氧含量,另一方面也使烧结助剂二次相会大量或完全存在于AlN陶瓷三叉晶界之中,这是高热导率、高性能AlN陶瓷所显示的显微结构。
(4)在AlN陶瓷烧结过程中,高温、长时间保温和含有H2、CO气氛等条件下会有利于陶瓷热导率性能的提高。
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