?氮化鋁具有高熱導率、良好的電絕緣性、低介電常數、無毒等性能,應用前景十分廣闊,特別是隨著大功率和超大規模集成電路的發展,集成電路和基片間散熱的重要性也越來越明顯。因此,基片必須要具有高的導熱率和電阻率。
為滿足這一要求,國內外研究學者開發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,其中氮化鋁是綜合性能最優良的新型先進陶瓷材料,被認為是新一代高集成度半導體基片和電子器件的理想封裝材料。
燒結過程是氮化鋁陶瓷制備的一個重要階段,直接影響陶瓷的顯微結構如晶粒尺寸與分布、氣孔率和晶界體積分數等。因此燒結技術成為制備高質量氮化鋁陶瓷的關鍵技術。氮化鋁陶瓷常用的燒結技術有無壓燒結、熱壓燒結、放電等離子燒結、微波燒結等。
無壓燒結
無壓燒結是陶瓷燒結中最簡單也是最常見的一種燒結方法,一般的燒結溫度在 1600-2000C左右,當燒結助劑 Y2O3; 添加之后,粉體會出現液相燒結,燒結溫度一般會下降100-200C,而1800C是最常見的燒結溫度。無壓燒結對設備的要求不是很高,相對來說比較經濟,但通常所需的燒結溫度較高 (一般在1800-1850C左右),燒結速率偏低,燒結體的相對密度也偏低。
熱壓燒結是對裝入模具的粉體同時加熱加壓,使粉料處于熱塑性狀態,從而產生兩種特殊的傳質過程,即晶界滑移和擠壓蠕變傳質。這兩種傳質過程在普通燒結過程中基本是不存在的,有助于顆粒的接觸擴散和流動傳質過程的進行,從而降低燒結溫度和氣孔率。
放電等離子燒結
放電等離子燒結(SPS)利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產生的瞬間高溫場來實現燒結過程。SPS 升溫速度快、燒結時間短、能在較低的溫度下燒結通過控制燒結組分與工藝能實現溫度梯度場,可用于燒結梯度材料及大型工件等復雜材料。放電等離子燒結體內每個顆粒均勻的自身發熱使顆粒表面活化,因而具有很高的熱導率,可在短時間內使燒結體致密化。
微波燒結
微波燒結是通過物質吸收微波的能量而進行自身加熱,其加熱過程在坯體整個體積內同時進行,升溫迅速、溫場均勻。此外,微波燒結本身也是一種活化燒結的過程,因此整個加熱燒結的時間特別是高溫反應期大大縮短。這些特點有利于提高致密化速度并可有效抑制晶粒生長,從而獲得常規燒結方法無法實現的獨特的性能和結構,因此具有良好的發展前景。
微波燒結是一種新型、高效的燒結技術,具有傳統燒結技術無可比擬的優越性。不添加任何燒結助劑的微波燒結法被認為是一條獲得AlN透明陶瓷非常有前途的低成本化技術途徑,但是受微波燒結設備的限制,通常很難獲得較低的燒結溫度,因此,有必要開展微波低溫燒結工藝制備AlN透明陶瓷的研究。
總結
氮化鋁陶瓷的燒結十分復雜,AlN屬于共價鍵化合物,熔點高,原子自擴散系數小,因此,純AlN陶瓷很難燒結致密化,難以獲得高的熱導率和良好的機械強度。因而,AlN陶瓷燒結需要保護氣氛以及添加少量的燒結助劑,目前采用最多的仍為添加燒結助劑的氮氣保護下的常壓燒結。
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