氮化鋁陶瓷基板關(guān)鍵制備工藝的研究

 前 言

氮化鋁（AlN）陶瓷作為一種導(dǎo)熱率高，熱膨脹系數(shù)與硅半導(dǎo)體接近的材料，具備良好的絕緣和機(jī)械性能，在高頻通信、LED照明、新能源汽車、高鐵、風(fēng)能和光伏發(fā)電等新興領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用逐漸普及。由于AlN材料制作工藝比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，目前大部分國(guó)產(chǎn)AlN材料尚達(dá)不到高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度的應(yīng)用要求。本文針對(duì)適合批量生產(chǎn)AlN陶瓷的常壓燒結(jié)工藝進(jìn)行探討分析，研究不同工藝條件對(duì)AlN性能的影響。

氮化鋁陶瓷的制備

1、原材料準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)采用自制高純AlN粉體進(jìn)行制備。采用Malvern MS2000型激光粒度儀測(cè)量AlN粉體平均粒度（D50）為1.2μm。采用SU8010型掃描電子顯微鏡觀察顆粒形貌，如圖1所示，該粉體顆粒多數(shù)呈球狀，尺寸在0.3μm～1μm。

2，采用BET法測(cè)得粉體的比表面積為3.2m2/g。利用X'Pert3 Powder型XRD對(duì)AlN粉物相進(jìn)行分析（見圖2），沒有雜峰出現(xiàn)，結(jié)合表1中雜質(zhì)元素含量數(shù)據(jù)，表明AlN粉體純度高。

     2、樣品制備

以無水乙醇以及丁酮作為介質(zhì)，將AlN粉體與燒結(jié)助劑（主要成分為Y2O3）進(jìn)行攪拌混合，并加入一定量的PVB、分散劑以及增塑劑，利用GTM100型球磨機(jī)進(jìn)行球磨分散獲得AlN陶瓷漿料，通過流延法形成厚度約0.5mm的AlN生瓷片。先在600℃以下對(duì)AlN生瓷片排膠，使生瓷片中絕大部分有機(jī)物裂解排出，之后保持升溫速率為10℃/min使溫度達(dá)到1300℃，再將升溫速率保持在5℃/min升至燒結(jié)溫度范圍1700～1850℃并保溫2h，最后冷卻，整個(gè)過程均在N2保護(hù)氣氛下進(jìn)行。

3、測(cè)試分析

使用排水法測(cè)量成瓷密度，將AlN成瓷進(jìn)行研磨拋光后，對(duì)其表面進(jìn)行噴碳處理，利用SU8010型掃描電子顯微鏡對(duì)基板斷面形貌和第二相分布進(jìn)行觀察。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1、燒結(jié)助劑添加量對(duì)基板導(dǎo)熱率的影響

使用自制AlN粉體，添加不同比例的燒結(jié)助劑，加入1.0%的分散劑，以及適量增塑劑及粘合劑混合均勻獲得陶瓷漿料，流延后的生坯在1800℃燒結(jié)，對(duì)比不同比例的燒結(jié)助劑對(duì)成瓷密度及導(dǎo)熱率的影響，結(jié)果見表2。

試驗(yàn)結(jié)果說明，隨著燒結(jié)助劑含量增加，基板成瓷密度隨之上升，而導(dǎo)熱率在燒結(jié)助劑添加量為1.5%時(shí)達(dá)到最高。在AlN燒結(jié)過程中，燒結(jié)助劑能與生坯中的氧化物反應(yīng)形成液相，以降低晶粒生長(zhǎng)所需的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，從而降低基板的燒結(jié)溫度；對(duì)基板斷面進(jìn)行觀察，當(dāng)燒結(jié)助劑添加量較低時(shí)（0.5%與1.0%），基板未能完成致密化，導(dǎo)致導(dǎo)熱率較低；當(dāng)燒結(jié)助劑添加量較高時(shí)（2.0%與2.5%），基板內(nèi)部液相殘留較多，且分布在晶界中，也會(huì)降低導(dǎo)熱率。

2、燒結(jié)溫度對(duì)AlN性能的影響

對(duì)燒結(jié)最高溫度分別為1700℃、1750℃、1800℃、1850℃的成瓷樣品斷面進(jìn)行觀察，成瓷性能結(jié)果如圖4～圖5及表3所示。當(dāng)燒結(jié)溫度為1700℃時(shí)，基板內(nèi)部存在較多的空隙，晶粒之間開始相互連接，但結(jié)合比較松散；1750℃時(shí)AlN晶粒明顯長(zhǎng)大，逐漸形成等軸晶的外形結(jié)構(gòu)；1800℃時(shí)，AlN晶粒變得更加規(guī)整，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密；1850℃時(shí)，AlN基板內(nèi)部幾乎不存在氣孔，但AlN晶粒也會(huì)變得更大，局部甚至?xí)霈F(xiàn)異常長(zhǎng)大的晶粒。

由表3可見，隨著燒結(jié)溫度的升高，AlN成瓷密度、晶粒尺寸及導(dǎo)熱率呈不斷上升的趨勢(shì)，在1800℃時(shí)密度趨于穩(wěn)定，而基板的抗折強(qiáng)度則是先上升，在1750℃時(shí)達(dá)到最大值后開始下降。

根據(jù)相關(guān)的研究表明，AlN陶瓷的第二相組成的變化不會(huì)對(duì)其導(dǎo)熱性能造成影響，但是卻會(huì)對(duì)其強(qiáng)度造成十分明顯的影響。我們進(jìn)而觀察不同燒結(jié)溫度下AlN成瓷斷面中的第二相分布情況（如圖5），結(jié)合圖3我們不難發(fā)現(xiàn)，其分布狀態(tài)除了與燒結(jié)助劑添加量有關(guān)外，還與燒結(jié)溫度有關(guān)。在1750℃時(shí)第二相團(tuán)聚較大，溫度升高至1800℃時(shí)第二相團(tuán)聚明顯減少，并分散更加均勻，這是由于晶粒在長(zhǎng)大過程中，對(duì)液相狀態(tài)的第二相形成擠壓，使其重新分布在晶粒間的閉氣孔中。

隨著溫度進(jìn)一步上升至1850℃，第二相在瓷體內(nèi)的分布減少，這是因?yàn)闇囟壬吆?，?huì)使閉氣孔減少甚至消失，基板內(nèi)部的第二相受到擠壓向外表面擴(kuò)散，而第二相相當(dāng)于雜質(zhì)存在于AlN晶格間使導(dǎo)熱率降低，因此溫度升高后，AlN的導(dǎo)熱率獲得進(jìn)一步提升。

在AlN燒結(jié)致密后，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于脆性裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)晶粒越細(xì)，大的缺陷和孔隙更少，因而基板強(qiáng)度越高。但隨著燒結(jié)溫度升高，晶粒尺寸變大，從而引起基板強(qiáng)度降低。

結(jié) 語

通過選用合適的分散劑添加比例，試驗(yàn)不同工藝對(duì)AlN成瓷性能影響。燒結(jié)助劑的添加可促進(jìn)AlN的燒結(jié)致密化，其主要以第二相的形式，在AlN晶粒間的三叉晶界處分布，并能夠在晶粒間流動(dòng)，其分布狀態(tài)與燒結(jié)助劑添加量和燒結(jié)溫度有關(guān)。而AlN的導(dǎo)熱率隨著陶瓷致密度提高以及第二相的減少而變大，AlN晶粒的增大會(huì)使成瓷強(qiáng)度降低。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以通過控制第二相的添加量和燒結(jié)溫度以獲得性能均衡的氮化鋁基板。更多氮化鋁陶瓷基板的問題可以咨詢金瑞欣特種電路。

文章來源：氮化鋁陶瓷基板制備工藝的研究 邱基華