氮化鋁陶瓷基板關鍵制備工藝的研究

 前 言

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

氮化鋁陶瓷的制備

1、原材料準備

本實驗采用自制高純AlN粉體進行制備。采用Malvern MS2000型激光粒度儀測量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法測得粉體的比表面積為3.2m2/g。利用X'Pert3 Powder型XRD對AlN粉物相進行分析（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型球磨機進行球磨分散獲得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AlN生瓷片排膠，使生瓷片中絕大部分有機物裂解排出，之后保持升溫速率為10℃/min使溫度達到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，整個過程均在N2保護氣氛下進行。

3、測試分析

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

實驗結(jié)果與分析

1、燒結(jié)助劑添加量對基板導熱率的影響

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)，對比不同比例的燒結(jié)助劑對成瓷密度及導熱率的影響，結(jié)果見表2。

試驗結(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，而導熱率在燒結(jié)助劑添加量為1.5%時達到最高。在AlN燒結(jié)過程中，燒結(jié)助劑能與生坯中的氧化物反應形成液相，以降低晶粒生長所需的燒結(jié)驅(qū)動力，從而降低基板的燒結(jié)溫度；對基板斷面進行觀察，當燒結(jié)助劑添加量較低時（0.5%與1.0%），基板未能完成致密化，導致導熱率較低；當燒結(jié)助劑添加量較高時（2.0%與2.5%），基板內(nèi)部液相殘留較多，且分布在晶界中，也會降低導熱率。

2、燒結(jié)溫度對AlN性能的影響

對燒結(jié)最高溫度分別為1700℃、1750℃、1800℃、1850℃的成瓷樣品斷面進行觀察，成瓷性能結(jié)果如圖4～圖5及表3所示。當燒結(jié)溫度為1700℃時，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AlN晶粒明顯長大，逐漸形成等軸晶的外形結(jié)構；1800℃時，AlN晶粒變得更加規(guī)整，內(nèi)部結(jié)構更致密；1850℃時，AlN基板內(nèi)部幾乎不存在氣孔，但AlN晶粒也會變得更大，局部甚至會出現(xiàn)異常長大的晶粒。

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

根據(jù)相關的研究表明，AlN陶瓷的第二相組成的變化不會對其導熱性能造成影響，但是卻會對其強度造成十分明顯的影響。我們進而觀察不同燒結(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)助劑添加量有關外，還與燒結(jié)溫度有關。在1750℃時第二相團聚較大，溫度升高至1800℃時第二相團聚明顯減少，并分散更加均勻，這是由于晶粒在長大過程中，對液相狀態(tài)的第二相形成擠壓，使其重新分布在晶粒間的閉氣孔中。

隨著溫度進一步上升至1850℃，第二相在瓷體內(nèi)的分布減少，這是因為溫度升高后，會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散，而第二相相當于雜質(zhì)存在于AlN晶格間使導熱率降低，因此溫度升高后，AlN的導熱率獲得進一步提升。

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

結(jié) 語

通過選用合適的分散劑添加比例，試驗不同工藝對AlN成瓷性能影響。燒結(jié)助劑的添加可促進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，其分布狀態(tài)與燒結(jié)助劑添加量和燒結(jié)溫度有關。而AlN的導熱率隨著陶瓷致密度提高以及第二相的減少而變大，AlN晶粒的增大會使成瓷強度降低。因此在實際生產(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