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氮化铝陶瓷烧结技术大揭秘
来源:中国粉体网 | 作者:上海全硕 | 发布时间: 2023-08-01 | 328 次浏览 | 分享到:

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:Al2O3BeOAlNBNSi3N4SiC,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。


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

无压烧结是陶瓷烧结中最简单也是最常见的一种烧结方法,一般的烧结温度在 1600-2000C左右,当烧结助剂 Y2O3; 添加之后,粉体会出现液相烧结,烧结温度一般会下降100-200C,而1800C是最常见的烧结温度。无压烧结对设备的要求不是很高,相对来说比较经济,但通常所需的烧结温度较高 (一般在1800-1850C左右),烧结速率偏低,烧结体的相对密度也偏低。



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。


放电等离子烧结

放电等离子烧结(SPS)利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬间高温场来实现烧结过程。SPS 升温速度快、烧结时间短、能在较低的温度下烧结通过控制烧结组分与工艺能实现温度梯度场,可用于烧结梯度材料及大型工件等复杂材料。放电等离子烧结体内每个颗粒均匀的自身发热使颗粒表面活化,因而具有很高的热导率,可在短时间内使烧结体致密化。



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。



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