氮化铝陶瓷的烧结简介及调控

氮化铝陶瓷的烧结简介

及调控

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氮化铝陶瓷的烧结简介及调控

摘要：AlN陶瓷以其高的热导率、低的介电常数、与硅相匹配的热膨胀系数等

优点，在模块电路、可控硅整流器、大功率晶体管、大功率集成电路等电子器件上的应用日益广泛。然而AlN共价性强，烧结非常困难，通常使用稀土金属氧化物和碱土金属氧化物添加剂形成液相来促进烧结。

关键词：氮化铝陶瓷烧结烧结助剂

Introduction and regulation of sintering of aluminum nitride

ceramics

Abstract: Aluminum nitride is being used more widely in electronic device for module circuit,silicon controlled

rectifier,high power transistor and high power integrated circuit because of its high thermal conductivity, low dielectric

constant and thermal expansion coefficient close to that of silicon. However, AlN is difficult to sinter due to its high covalent bonding. For full densification, rare-earth and/or alkaline earth oxides are often added as sintering aids in the fabrication of A1N ceramics.

Keywords: AlN ceramic; Sinter; Conventional sintered

目录

1氮化铝陶瓷简介

随着信息技术和智能终端设备的飞速发展，大规模集成电路向着高速化、高效率、多功能、小型化的方向发展，各种应用对高性能、高密度电路的需求越来高。然而，电路密度和功能不断提高的同时，不可避免的导致电路工作温度不断上升，对电子设备的正常运行带来极大隐患。为了防止元件因热聚集以及热循环作用而导致损坏，对基板材料的低介电常数、低热膨胀系数、高热导率等方面提出越来越苛刻的要求。据了解，目前，市场上高热导率材料主要有BeO、SiC和AlN。

BeO是一种性能优异的封装材料，但遗憾的是，BeO是一种有毒的物质，对于含有BeO的元件或系统的使用也有着很多限制；SiC介电常数大，这个缺陷大大限制了SiC在高频领域的应用，不适合做基板材料；但是AlN不仅有高的热导率，而且具有优异的绝缘性、低介电常数以及与Si相近的热膨胀系数，另外，从结构上看AlN陶瓷基片在简化结构设计、提高可靠性、降低总热阻、增加布线密度、使基板与封装一体化以及降低封装成本等方面均具有更显着的优势【1】。因此，随着航空、航天及其他智能功率系统对大功率耗散要求的提高，AlN基片已成为大规模集成电路以及大功率模块的一种重要的新型无毒基片材料。

尽管AlN陶瓷的优异性能使其具有广泛的应用前景，但目前过高的价格/性能比使其工程化、产业化、商品化受到了许多限制。首先，化合物AlN在自然界并不存在，必须由人工方法合成。其次，与其他大多数氮化物一样，AlN是高熔点的强共价键化合物，难于烧结致密，必须加入添加剂并且通常在1850℃以上的高温进行烧结以获得高致密度和优良性能，因而导致制造成本居高不下。因此，尽管众多研究者仍致力于研究如何选取合适的原料和添加剂、严格控制烧结条件来制得具有高致密度和所需优良性能的AIN陶瓷。

2氮化铝陶瓷的烧结

整个烧结过程一般可以被分解为下述7个阶段【2】：（l）颗粒之间形成接触；（2）烧结颈长大；（3）连通孔洞闭合；（4）孔洞圆化；（5）孔洞收缩和致密化；（6）孔洞粗化；（7）晶粒长大。

图陶瓷烧结简化图

图是陶瓷烧结过程的简化图。烧结也可分为烧结初期、烧结中期和烧结后期这几个阶段。烧结初期指的是颗粒之间形成接触和烧结颈长大阶段；烧结中期包括了连通孔洞闭合、孔洞圆滑和孔洞收缩与致密化阶段；烧结后期是指孔洞粗化和晶粒长大阶段。

烧结过程中会发生物质的传递，这样能够使气孔逐渐得到填充，从而使坯体由疏松变得致密。烧结过程有物质的传递过程，这样能够使气孔逐渐得到填充，使坯体由疏松变得致密。对烧结的物质传递方式和机理许多学者都进行了研究，提出了许多见解，目前主要有四种看法【3-4】，即：（l）蒸发和凝聚；（2）扩散；（3）粘滞流动与塑性流动；（4）溶解和沉淀。实际上烧结过程中的物质传递现象颇为复杂，不能用一种机理来说明一切烧结现象。多数学者认

为，在烧结过程中可能有几种传质机理在起作用。但在一定条件下，某种机理会占主导地位，条件改变，起主导作用的机理有可能随之改变。

按照在对粉体进行烧结时有无施加外来压力，可以把烧结过程分为两大类：不施加外压力的烧结和施加外压力的烧结，简称不加压烧结和加压烧结。

不加压烧结也称无压烧结或者常压烧结，是陶瓷烧结工艺中最简单的一种烧结方法。它是指在正常大气压力下，具有一定形状的陶瓷素坯在高温下经过物理化学过程变为致密、坚硬、体积稳定的、具有一定功能的固体的过程。烧结的驱动力主要是自由能的变化。值得指出的是，无压烧结是在没有外加驱动力的情况下进行的，所得的材料性能相对于加压工艺的要稍差一些，但其工艺简单，设备制造容易，成本低，易于制造复杂形状的制品和批量生产。加压烧结指的是对松散粉末或粉末压坯同时施以高温和外加压力。其类型大致可分为：热压烧结、热等静压烧结、粉末热锻等【5】。

按照在烧结过程中是否产生液相分为固相烧结和液相烧结两大类。固相烧结是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中在一定的气氛保护下，保温一段时间的操作过程，或简单地定义为粉末压坯的（可控气氛）热处理过程。液相烧结也是二元系或多元系粉末烧结过程，但烧结温度超过某一组元的熔点，因而形成液相。

低温烧结指的是将AlN的烧结温度降低到1600℃至1700℃之间实现致密度高的烧结【6】。AlN表层的氧是在高温下才开始向其晶格内部扩散的,因此,低温烧结另外一个作用就是延缓高温烧结时表层氧向AlN晶格内部扩散,增进后续热处理过程中的排氧效果,这将有利于制备出高热导率的陶瓷材料【7】。低温烧结最普遍最有效的方法是选择有效的烧结助剂。

不添加烧结助剂的AlN陶瓷气孔率高、致密度差，导致其热导率很低，满足不了实际需要。常压烧结AlN陶瓷的研究表明：加入烧结助剂后，试样的致密性改善，热导率显着提高。所以，如果要获得具有高导热性能的AlN陶瓷，加入一些有效的烧结助剂是必须的。