氮化鋁陶瓷(AlN)燒結(jié)助劑如何選擇

    技術(shù)的高速發(fā)展使得人們對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高，氮化鋁陶瓷材料因其高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)、熱化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械性能良好、無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在大規(guī)模集成電路、航空航天等重要領(lǐng)域，受到科研和工業(yè)越來(lái)越廣泛的重視。下面來(lái)和鈞杰陶瓷一下來(lái)了解一下吧
一、為什么需要AlN陶瓷燒結(jié)助劑呢？
AlN屬于共價(jià)化合物，原子間結(jié)合力強(qiáng)，自擴(kuò)散系數(shù)小。根據(jù)燒結(jié)理論，鹽類(lèi)的燒結(jié)溫度(Ts)和熔點(diǎn)(Tm)的關(guān)系為：
AlN熔點(diǎn)為 3300℃，因此AlN陶瓷的燒結(jié)溫度高達(dá)1900 ℃以上，嚴(yán)重制約了其在工業(yè)上的應(yīng)用，添加合適的燒結(jié)助劑是降低AlN陶瓷燒結(jié)溫度的重要方法。

二、燒結(jié)助劑的作用原理
燒結(jié)助劑為某些稀土金屬、堿土金屬和堿金屬等的化合物， 例如Y2O3、CaO、CaF2、Li2O 等，其能有效促進(jìn)AlN粉末的燒結(jié)，有助于提高燒結(jié)樣品的熱導(dǎo)率。
1、與AlN粉末表面的氧化鋁反應(yīng)，形成低熔物，產(chǎn)生液相，利用液相傳質(zhì)促進(jìn)燒結(jié)，提高材料的致密度；
2、與氧雜質(zhì)反應(yīng)，在晶界以Y-Al2O3和Ca-Al2O3化合物的形式析出，降低AlN 晶格的氧含量，起到純化晶格的作用，從而提高AlN燒結(jié)體的熱導(dǎo)率。
三、燒結(jié)助劑選用原則
1、在較低溫度下能與AlN顆粒表層的Al2O3發(fā)生共熔，生成液相，且產(chǎn)生的液相對(duì)AlN顆粒具有良好的浸潤(rùn)性；
2、液相的流動(dòng)性好，燒結(jié)后期在AlN晶粒生長(zhǎng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)下向三叉晶界流動(dòng)，不至于形成AlN晶粒間的熱阻層；
3、添加劑與Al2O3有較強(qiáng)的結(jié)合能力，以利于脫除氧雜質(zhì)，凈化AlN晶格；
4、添加劑最好不與AlN發(fā)生反應(yīng)，否則容易產(chǎn)生晶格缺陷。
四、燒結(jié)助劑的主要分類(lèi)
AlN陶瓷熱力學(xué)研究表明，符合條件的低溫?zé)Y(jié)助劑主要是一些稀土金屬氧化物及氟化物Y2O3、YF3堿土金屬氧化物CaO、CaF2及氟化物和少量具有還原性的化合物（Li2O、B2O等）。表1為常見(jiàn)的AlN燒結(jié)助劑的分類(lèi)及特點(diǎn)匯總。
由于添加氧化物，會(huì)引入氧雜質(zhì)，不利于AlN基板的熱學(xué)性能與機(jī)械性能的提高，如CaC2助燒劑與AlN反應(yīng)改變AlN與液相的界面自由能，影響AlN晶粒的生長(zhǎng)和致密化。圖2為不同燒結(jié)助劑對(duì)AlN陶瓷的密度和抗彎強(qiáng)度的影響。

采用單一燒結(jié)助劑只能有限降低燒成溫度，提高樣品的熱導(dǎo)率也很有限，很難滿(mǎn)足使用要求，故材料學(xué)者們進(jìn)行了多元復(fù)合體系燒結(jié)助劑的研究，以期在更低的溫度達(dá)到較好的燒成效果。研究表明：復(fù)合助燒結(jié)劑各組分相互配合，能更有效地降低燒結(jié)溫度，同時(shí)能較大幅度的提高AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。
（1）Y2O3-CaO系
使用Y2O3-CaO系燒結(jié)助劑的AlN陶瓷常采用常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種工藝制備。常壓燒結(jié)制備的AlN陶瓷的第二相分布在AlN陶瓷晶界，可以降低燒結(jié)體的氧含量；熱壓燒結(jié)AlN陶瓷是在N2氣氛下石墨模具中進(jìn)行的，C還原氣氛減少低溫?zé)Y(jié)AlN的第二相，降低氧含量，由于部分產(chǎn)物以氣態(tài)的形式揮發(fā)，所以熱壓燒結(jié)AlN陶瓷的第二相含量降低。
（2）CaF2-Y2O3系添加劑
隨著CaF2含量的減少， 燒結(jié)體晶界相逐漸增多， 晶界變寬， 晶粒變小， 熱導(dǎo)率在CaF2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到最大。CaF2熔融溫度低， 低溫即可與Al2O3反應(yīng)形成液相。反應(yīng)中生成的AlF3在高溫下升華， 而鈣和氮的化合物熔點(diǎn)較低，在高溫下易揮發(fā)，所以晶界中主要為鋁酸鹽相。
（3）CaF2-YF3系燒結(jié)助劑
YF3不引入氧，且比Y2O3有著較低的熔點(diǎn)，因此可作為燒結(jié)助劑被使用。CaF2-YF3體系在高溫下，液相化合物在AlN顆粒之間流動(dòng)與重新分布，使得其中的YF3有充足的機(jī)會(huì)與AlN顆粒表面的氧，從而有效地降低了AlN顆粒表面的氧含量，減少了高溫下AlN晶格中氧缺陷的形成。加入CaF2 -YF3 系燒結(jié)助劑的試樣有更高的熱導(dǎo)率。

（4）Y2O3-CaO-Li2O系
添加Y2O3-CaO-Li2O系燒結(jié)助劑，在AlN陶瓷燒結(jié)過(guò)程中，Y2O3、CaO和Al2O3結(jié)合形成的鋁酸鹽液相，且保溫時(shí)間越長(zhǎng)，液相量越多。該液相分布于AlN晶界，促進(jìn)了燒結(jié)致密化及雜質(zhì)在AlN晶界的聚集，將氧原子束縛在晶界第二相中，AlN陶瓷的熱導(dǎo)率也逐漸增加。隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，AlN晶格內(nèi)部的氧原子逐步向表面擴(kuò)散，進(jìn)一步凈化了AlN晶格，熱導(dǎo)率迅速增長(zhǎng)。該助燒劑體系中Li2O的助燒作用就是明顯降低反應(yīng)溫度，改善液相與AlN晶粒的潤(rùn)濕性，促進(jìn)低溫?zé)Y(jié)AlN陶瓷的致密化。
氮化鋁(AlN)燒結(jié)助劑的選擇方法及分類(lèi)鈞杰陶瓷就分享到這里啦鈞杰陶瓷是一家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)特種陶瓷和特種陶瓷加工廠家。公司現(xiàn)有自己的專(zhuān)業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，并與多家科研機(jī)構(gòu)及高等院校建立了密切的產(chǎn)學(xué)科研合作關(guān)系。鈞杰陶瓷常年致力于從事特種陶瓷材料的技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造以及現(xiàn)場(chǎng)施工，確保為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的特種陶瓷防腐材料及工程服務(wù)。咨詢(xún)鈞杰陶瓷聯(lián)系電話(huà)：136 998 99025。