PDF《AlN 陶瓷的性能及应用》

1 AlN 陶瓷的制备技术 制备 AlN 陶瓷的过程中, 不同工艺对陶瓷 的性能也有不同影响.其中原料、成型工艺、助 烧剂、烧结气氛及烧结方式等影响较为显著. 表1AlN 陶瓷的基本性能参数 Table

1 Basic performance parameters of AlN ceramics Property Quantitative value Reference Theoretical density 3.26 g?cm?3 [9] Crystal structure Hexagonal system [9] Thermal conductivity [5] Theoretical value

320 W?m?1 ?K?1 Actual value

100 W?m?1 ?K?1 ~

260 W?m?1 ?K?1 Coefficient of thermal expansion (25?C ) 4.0 * 10?6 k?1 [10] Dielectric constant (1MHZ) 8.6 ~ 9.0 [9] Dielectric loss (1MHZ)

1 * 10?4 [10] Breakdown voltage

15 KV?mm?1 [10] Energy gap width 6.2 eV [9] Bending strength

300 MPa ~ 400/MPa [10] Elastic modulus

310 GPa [10] Hardness

12 GPa [10] Melting point (thermal decomposition)

2790 K [10] Specific heat (25?C )

730 J?kg?1 ?K?1 [9] 图1高功率应用的氮化铝陶瓷基板和封装[9,10] Figure

1 High power applications of aluminum nitride ceramic substrates and packages[9,10] 图2透明 AlN 陶瓷[11] Figure

2 Transparent AlN ceramic[11] ?

24 ? 丁利文 等, AlN 陶瓷的性能及应用 第37 卷1.1 AlN 原料的影响 AlN 陶瓷的性能与原始粉料的纯度有着直接关系.AlN 陶瓷的导热机制是声子传导, 晶格的缺 陷、气孔和杂质都会对声子产生散射, 从而降低 AlN 陶瓷的热导率[12] .细小的粉末粒度和狭窄的粒 度分布是提高 AlN 烧结性能的关键[13] . 梁秀红等人的研究[14] 发现, 初始氧含量低的 AlN 粉体, 烧结后得到的最大热导率相对较高;

随 着氧含量的增加, 可达到的最大热导率逐渐降低.因而, 选择纯度高、杂质含量少、粉末粒度细且活 性高的 AlN 粉末是制备出性能良好的 AlN 陶瓷的前提. 1.2 烧结助剂的影响 氮化铝是 Al-N 二元系中唯一稳定的化合物, 属六方晶系中的纤锌矿结构, 其原子间是以四面体 配置的强共价键结合, 自扩散系数小, 很难烧结致密, 通常需要添加稀土金属氧化物和碱土金属氧 化物作为助烧剂来促进烧结. 引入烧结助剂主要有两个方面作用:(1) 促进 AlN 陶瓷致密化.使用烧结助剂可以在较低温度 产生液相, 润湿晶粒, 从而达到致密化.(2) 净化晶格.AlN 对氧有很强的亲和力, 氧进入晶格产生 铝空位, 降低了声子的平均自由程, 热导率因而降低. 适合的添加剂可以有效与晶格中氧反应生成第 二相, 净化晶格, 提高热导率[15] .图3为烧结助剂对 AlN 陶瓷热导率影响机制的示意图[9] . AlN 陶瓷烧结常用的烧结助剂是某些稀土金属和碱土金属氧化物, 如Y2O

3、 CaO、 Dy2O

3、 CaF

2、 YF

3、Sm2O

3、Li2O 等.表2列出了一些研究中所报道的无压烧结 AlN 陶瓷常用的烧结助剂种类、 烧结温度以及相应得到的材料热导率数据.可以看出, 选择不同的烧结助剂、不同的烧结温度, 得到 的AlN 的热导率差异很明显.因而, 烧结助剂的选择对制备高热导率 AlN 陶瓷尤为重要. 图3烧结助剂对 AlN 陶瓷热导率的影响机制[9] Figure

3 Illustration showing the effect of sintering additives on the thermal conductivity of AlN ceramics [9] 表2无压烧结 AlN 陶瓷常用的烧结助剂种类、烧结温度及热导率 Table

2 Sintering aids, sintering temperature and thermal conductivity of pressureless sintered AlN ceramics Sintering aids Sintering temperature / ?C Thermal conductivity / W?m?1 ?K?1 Reference YF3

1850 210 W?m?1 ?K?1 [16] Dy2O3+Li2O+CaO