【正文】 通過測量燒結(jié)體的A1N晶格中的A1N晶胞體積和氧含量得出。然而，在富氧情況下，較高的氧氣濃度也會產(chǎn)生較大的晶胞體積，這和Harris等人的總結(jié)類似。如圖1所示，樣品CYFA在1750℃燒結(jié)4小時后，剩余的Y2O3也意味著A1N顆粒的氧完全消除，因為在第二階段的所有的氧氣來自于原始的AlN顆粒的表面。與添加了CaF2和Y2O3的樣品相比，添加了CaF2和YF 3的樣品的晶界相對A1N陶瓷的熱導(dǎo)率的影響沒有顯著的效果。 C. Thermal conductivity。 使用CaF2和YF 3，能得到高致密且熱導(dǎo)率達到180W/m在摻雜Y2O3的A1N陶瓷的燒結(jié)中，Y2O3和A1N晶粒中的氧之間的反應(yīng)對減少在A1N晶格最后的氧濃度是很必要的。圖3：通過X射線衍射測量來確定的A1N晶胞的體積關(guān)于熱導(dǎo)率的函數(shù)。由于這兩種樣品CYFA和CYOA在1750℃的燒成溫度下具有高的密度，致密度并不是導(dǎo)致兩個樣品的不同熱導(dǎo)率主要的原因。樣品CYFA和CYOA在1750℃燒結(jié)4小時的X射線圖譜如圖1。但樣品CYFA和YFA相比在1650℃以下有更大的收縮。/min的速度在90176。將將坯體在5500℃脫蠟，然后放入BN坩堝中并在石墨爐用流動氮氣氣氛中在1350℃，1500℃，1650℃和1750℃燒結(jié)不同的時間。Hundereet 等人研究了當(dāng)燒結(jié)過程中添加YF3添加劑發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)燒結(jié)溫度上升到1750176。 展望本文對AlN陶瓷在常壓下燒結(jié)的不同工藝條件以及添加不同燒結(jié)助劑進行了系統(tǒng)的研究，從本文的結(jié)果來看，常壓燒結(jié)工藝的改變對AlN陶瓷的性能有著顯著的影響。隨著保溫時間的延長（4h8h），樣品的致密度并沒有提高，SEM圖也從微觀層面上反映了這一點。氮化鋁的熱導(dǎo)率理論上可達320W（）。隨著致密度的提高，液相不能繼續(xù)擴散到表面，而停留在坯體內(nèi)部，進而使樣品的致密度不再提高。分析原因大致如下：（1）該體系燒結(jié)溫度低，液相生成不充分，不能有效的使AlN晶粒均勻重排；（2）GaF2 Nd2O3作為燒結(jié)助劑的合理性還有待研究。但是該反應(yīng)主要發(fā)生在1700176。因為燒結(jié)助劑的存在雖然降低氮化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，但晶格中殘留的液相會對其熱導(dǎo)率產(chǎn)生很大的影響。從表中數(shù)據(jù)可以看到，不同種類的添加劑對氮化鋁陶瓷樣品的致密化有很大差別。C，1小時1400176。 導(dǎo)熱性能測試依據(jù)GJB1201－1－91，采用激光脈沖法測量氮化鋁試樣的熱導(dǎo)率。）利用METTLER TOLEDO電子分析天平（），根據(jù)阿基米德排水法測量試樣的體積密度。（5）干壓成型將過完篩的粉料裝入φ20mm的鋼模，在天津市科器高新技術(shù)公司的手動壓片機上勻速緩慢加壓至3Mpa壓力，保壓10s，脫模，得到柱狀素坯。為氮化鋁陶瓷基片的產(chǎn)業(yè)化提供一些基礎(chǔ)理論依據(jù)。 本文的研究方向氮化鋁陶瓷以其優(yōu)良的性能使之成為商業(yè)前景極大的新型電子陶瓷材料。隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展以及人們對A1N研究的不斷深入，至七十年代中后期，致密的A1N陶瓷得以制備，其優(yōu)良的熱學(xué)性能和電學(xué)性能引起了國內(nèi)外研究者的廣泛興趣。另外，它還非常適合于VLSL組件，微波真空管的封裝殼體以及混合功率開關(guān)的封裝等，它視為新一代的電子封裝材料。（2）高溫耐蝕材料方面AlN陶瓷具有良好的高溫耐蝕性，它能與許多金屬在高溫下共存，因此是優(yōu)良的坩堝材料，同時也可用作腐蝕性物質(zhì)的容器和處理器。放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬間高溫場來實現(xiàn)燒結(jié)過程。（2）微波燒結(jié)進入21世紀(jì)，納米陶瓷已成為了新興陶瓷的主流，納米陶瓷具有一般陶瓷無法媲美的性能。（1）常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)氮化鋁陶瓷燒結(jié)工藝主要有2種：常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。14. 陶瓷燒結(jié)簡化圖圖14是陶瓷燒結(jié)過程的簡化圖。它的基本工藝過程是：首先將具有特定粒度和表面形態(tài)的陶瓷粉末與有機粘結(jié)劑混合均勻，制成喂料。（3）流延法成型 流延成型的具體工藝是首先把陶瓷粉體(有時候還包括燒結(jié)助劑)和分散劑在特定的溶劑介質(zhì)中球磨、超聲或機械攪拌混合一段時間，待分散均勻后加入粘結(jié)劑、塑性劑進行二次球磨混合，得到分散良好、穩(wěn)定的漿料。而以烷基鋁作為原料，反應(yīng)過程簡單，不會產(chǎn)生腐蝕性氣體，且生成的烷基會在高溫下?lián)]發(fā)。其特點是:制備過程與設(shè)備簡單，耗費能源極少；可快速生產(chǎn)，成本低廉；伴隨燃燒所產(chǎn)生的高溫可將反應(yīng)物中易揮發(fā)的雜質(zhì)予以氣化并自反應(yīng)物中移除，達到純化的目的；可合成各種不同形狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，如粉體、多孔雜塊狀物、致密粉體等；反應(yīng)過程涉及快速升溫及降溫，制成的氮化鋁具有較高燒結(jié)活性。因此為了在較低溫度下獲得純度高、粒度細的AlN 粉體，一般選用機械活化后粒度較細甚至達到納米級的Al2O3和炭黑作為原料，其碳熱反應(yīng)的氮化溫度可以在1100 ～ 1250 ℃進行，比沒有機械活化處理的降低400 ℃左右。其缺點是產(chǎn)率低、粉體易團聚結(jié)塊。A12O3和Y2O3的還原氮化如式（14）和式（15）；（14）（15）式（14）中生成的AlN殘留在燒結(jié)體中，而式（15）生成的YN殘留在燒結(jié)體表面，之后蒸發(fā)，最后凝縮在燒結(jié)容器的低溫部位。因此一定種類的燒結(jié)助劑及合適的添加量，才能保證既降低燒結(jié)溫度，又提高AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。因此，晶界第二相的存在有雙重作用。（3）氮化鋁陶瓷微觀結(jié)構(gòu)對熱導(dǎo)率的影響此外，A1N陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)對其熱導(dǎo)率也有重要的影響，通過控制顯微結(jié)構(gòu)可以提高熱導(dǎo)率。K)。 氮化鋁熱導(dǎo)率的影響因素從上一節(jié)氮化鋁陶瓷的導(dǎo)熱機理可知，影響其熱導(dǎo)率的主要因素是聲子的平均自由程。如定義熱流密度Jθ，表示單位時間內(nèi)通過單位截面?zhèn)鬏數(shù)臒崮?，比例系?shù)k稱為熱傳導(dǎo)系數(shù)或熱導(dǎo)率。同時強度極大的共價鍵使得氮化鋁具備高熔點，且藉由共價鍵的共振形成聲子傳遞熱能，使得氮化鋁同時具備高熱傳導(dǎo)性。其晶胞結(jié)構(gòu)如圖12所示：圖12. 氮化鋁的晶胞結(jié)構(gòu)Al原子與周圍的4個N原子形成一個四面體，其中3個Ali(i=l，2，3)鍵，稱之為Bl，；沿c軸方向的AlN0鍵，稱之為B2。因此，隨著航空、航天及其他智能功率系統(tǒng)對大功率耗散要求的提高，AlN基片已成為大規(guī)模集成電路以及大功率模塊的一種重要的新型無毒基片材料。氮化鋁陶瓷的燒結(jié)簡介及調(diào)控畢業(yè)論文目錄摘要 2ABSTRACT 3第一章：緒論 4 氮化鋁陶瓷的基本性質(zhì) 4 氮化鋁陶瓷的導(dǎo)熱機理 7 氮化鋁熱導(dǎo)率的影響因素 8 10 氮化鋁陶瓷的制備工藝 11 氮化鋁粉末的制備及方法 11 氮化鋁坯體的成型 13 氮化鋁陶瓷的燒結(jié) 15 氮化鋁陶瓷的應(yīng)用和發(fā)展 17 氮化鋁陶瓷的應(yīng)用 17 氮化鋁陶瓷的發(fā)展 18 本文的研究方向 19第二章：實驗 21 實驗原料及儀器設(shè)備 21 原料 21 儀器設(shè)備 21 實驗步驟 22 氮化鋁陶瓷的性能測試 23 體積密度測試 23 XRD測試 23 導(dǎo)熱性能測試 24 介電性能測試 24 24第三章：實驗數(shù)據(jù)處理分析 25 燒結(jié)助劑對氮化鋁陶瓷體積密度的影響 26 GaF2 Sm2O3體系的燒結(jié)助劑對氮化鋁體密度的影響 26 GaF2 Nd2O3體系復(fù)合燒結(jié)助劑對氮化鋁體密度的影響 28 保溫時間對氮化鋁陶瓷性能的影響 28 保溫時間對氮化鋁陶瓷致密度的影響 28 保溫時間對氮化鋁陶瓷介電性能的影響 30第四章總結(jié)與展望 33 總結(jié) 33 展望 33致謝 34參考文獻 35附錄 38第一章：緒論隨著信息技術(shù)和智能終端設(shè)備的飛速發(fā)展，大規(guī)模集成電路向著高速化、高效率、多功能、小型化的方向發(fā)展，各種應(yīng)用對高性能、高密度電路的需求越來高。許多發(fā)達國家都相繼投入了大量的人力物力，開展了對AlN基板材料的研究開發(fā)，并取得了顯著的成果。 186。純凈的AlN陶瓷事無色透明的，然而通常使用的氮化鋁材料由于混入的雜質(zhì)不同而呈現(xiàn)出各種顏色。（11）（公式中負(fù)號表明熱能傳輸總是從高溫流向低溫）固體導(dǎo)熱既可以通過電子運動導(dǎo)熱，也可以通過格波的傳播導(dǎo)熱，其中前者稱為電子熱導(dǎo)，后者稱為晶格熱導(dǎo)。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，晶體中或多或少會存在缺陷，且氮化鋁結(jié)構(gòu)基元的分布也會有差異。這也說明氧元素對AlN陶瓷熱導(dǎo)率的影響極大【45】。研究表明，氮化鋁陶瓷燒結(jié)過程中常加入一些助劑以降低氮化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。這就解釋了添加一定燒結(jié)助劑，引入適量晶界第二相可以提高熱導(dǎo)，但是過量的晶界相又是對導(dǎo)熱性能不利的現(xiàn)象【7】。從上述影響熱導(dǎo)率因素中可以得出，燒結(jié)助劑的選擇應(yīng)滿足以下條件【9】：(1)能在較低溫度下與A1N顆粒表層的A1203發(fā)生反應(yīng)，生成液相，而且產(chǎn)生的液相能對A1N顆粒具有良好的浸潤性；(2)液相的流動性好，燒結(jié)后期在A1N晶粒生長過程的驅(qū)動下向三叉晶界流動，不至于形成A1N晶粒間的熱阻層；(3)添加劑與A1203有較強的結(jié)合能力，以利于脫除氧雜質(zhì)，凈化A1N晶格；(4)添加劑最好不與A1N發(fā)生反應(yīng)，否則既容易產(chǎn)生晶格缺陷，又難以形成多面體形態(tài)的A1N完整晶形。因而，在還原氣氛中燒成AlN陶瓷或致密的AlN陶瓷在碳還原氣氛中熱處理，可以達到凈化晶格，改變晶界相組成、含量及分布的作用，能顯著提高熱導(dǎo)率。為了在較低制備成本下提高氮化鋁的產(chǎn)率、降低氮化層對N2的阻礙，采用粒度較細且活化度高的鋁粉，且添加合適的添加劑是更為有效地手段。在Al2O3碳熱還原法制備AlN 粉體的工藝中，常加入CaO、CaFY2O3等作為催化劑，其中加CaF2可以更有效的降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率。但該方法一方面反應(yīng)過程較難控制；另外該法所需的氮氣壓力普遍較大，甚至當(dāng)?shù)獨鈮毫_到180 MPa時也很難獲得100 %的AlN，所以限制了其發(fā)展。但烷基鋁價格比較昂貴，限制了其大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。成型時漿料從料斗下部流至載帶之上，通過載帶和括刀的相對移動形成素坯膜。以有機粘結(jié)劑為載體，使得喂料在一定的溫度下具有流動性，喂料在注射成形機上在力和熱的作用下流動填充模腔成形，得到注射坯體，隨后經(jīng)過脫脂和燒結(jié)得到全致密或接近全致密的產(chǎn)品。燒結(jié)也可分為燒結(jié)初期、燒結(jié)中期和燒結(jié)后期這幾個階段。由于氮化鋁具有很強的共價性，故其在常壓燒結(jié)時需要的燒結(jié)溫度很高。但是，由于納米晶粒在燒結(jié)過程中會隨燒結(jié)時間的增長而長大，從而失去了納米陶瓷的意義。SPS具有以下特點：升溫速度快；能在較低的溫度下燒結(jié)；燒結(jié)時間短；通過控制燒結(jié)組分與工藝，能實現(xiàn)溫度梯度場，燒結(jié)梯度材料及大型工件等復(fù)雜材料。其良好的高溫強度、高溫穩(wěn)定性使其在高溫結(jié)構(gòu)材料和耐火材料方面的應(yīng)用也越來越多。可以預(yù)計，在基片和高密度封裝領(lǐng)域，A1N終將代替A1203和Be0。在隨后的二三十年中，人們圍繞著如何提高AlN陶瓷的熱傳導(dǎo)性能進行了大量的研究，并取得了顯著的進展。但由于氮化鋁共價鍵晶體的結(jié)構(gòu)所決定其推向商業(yè)應(yīng)用過程中存在兩大難題亟待解決：（1）氮化鋁陶瓷研制過程中的氧化問題。第二章：實驗過程 原料本實驗所用原料為國產(chǎn)氮化鋁粉末，化學(xué)成分如表21所示表21 .AlN粉主要指標(biāo)NOFeC粒徑（D50）μm≥32≤≤≤210實驗中采用的稀土添加劑從上海躍龍稀土材料有限公司購買，其余主要實驗藥劑均采購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司，純度均為分析純。（6）抽真空將壓完的陶瓷片在薄膜袋中放好，用兩層塑料薄膜袋抽真空，再用紙巾包裹后再抽兩層，以保證其有足夠的硬度，并能隔油。燒結(jié)后的AlN樣品經(jīng)拋光機粗磨去掉表面粘結(jié)的雜質(zhì)，隨后后用丙酮、酒精進行超聲清洗，然后放入烘箱烘兩小時，取出測其空氣中的干重M1。用紅外熱成像儀對氮化鋁試樣和氧化鋁基片進行導(dǎo)熱影像對比。C升溫到1600176。% % % % %， g/cm3。所以在GaF2 Sm2O3復(fù)合體系燒結(jié)助劑中添加較少量的燒結(jié)助劑能得到致密度較高的氮化鋁陶瓷。C左右，而本次實驗中的燒結(jié)溫度為1600176。 保溫時間對氮化鋁陶瓷性能的影響 保溫時間對氮化鋁陶瓷致密度的影響查閱文獻上可知【28】，保溫時間會對氮化鋁陶瓷的致密性產(chǎn)生影響，保溫時間越長，氮化鋁陶瓷的致密度越高。 保溫時間對氮化鋁陶瓷介電性能的影響（1）介電常數(shù)分析圖35. Y2O3GaF2體系氮化鋁樣品的相對介電常數(shù)隨保溫時間變化曲線% % % % Li2O配方的氮化鋁樣品的相對介電常數(shù)隨保溫時間變化的曲線。但是由于致密度，微觀結(jié)構(gòu)，缺陷等問題，實際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率不到200 W（）。保溫時間在2h到4h的過程中，晶粒明顯長大。但也有一些問題和不足值得探討，：(1)對AlN陶瓷常壓燒結(jié)的復(fù)合助劑體系的配方需要進一步深入研究，選擇更多的配方體系進行詳細的研究，同時比較燒結(jié)助劑的含量對于樣品性能的影響，找出最佳配比。C時，液相CaYAlO 4使樣品的致密度得到了很好的改善。Liu et 等人使用CaF 2和 YF 3作為添加劑時，得到熱導(dǎo)率高于170W/m*K的氮化鋁陶瓷。試樣的組成如表1。140176。這是因為液相(Ca,Y)F2和鋁酸鈣的形成促進樣品CYFA在溫度低于1650℃時的致密化。它可以從這個圖中可以看出，在兩個樣本中有類似的相組成包括YAM，CaYAlO4和Y2O3。Kurokawa等人發(fā)現(xiàn)了一系列含Ca的燒結(jié)助劑燒結(jié)的AlN陶瓷樣品的熱導(dǎo)率和氧濃度之間的關(guān)系。該曲線是通過Kurokawa等人發(fā)表的數(shù)據(jù)的多項式擬合得出的。同時添加CaF2和Y2O3，由于固相Y2O3和A12O3之間的反應(yīng)和非均勻液相的分布，氧難以與Y2O3在1650℃之前完全反應(yīng)形成穩(wěn)定釔鋁酸鹽，這使氧有機會進入A1N晶格，形成氧有關(guān)的缺陷從而降低了AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。K的AlN陶瓷。這項工作得到了廣東省新功能陶瓷材料研究開發(fā)中心的支持。 B. Microstructurefinal。同時，在1750℃時的致密度是由液相CaYAlO4改善的。液相(Ca,Y)F2的流動和再分配，使YF3具有足夠的機會接觸A1N顆粒表面上的氧氣并與它起反