高压快速制备高导热陶瓷

摘要

本文主要研究了制备高导热电子封装基板陶瓷材料的新方法。在目前国内外导热陶瓷制备研究基础上，提出以立方氮化硼（cBN）为主要原料，采用高温高压烧结方法制备聚晶立方氮化硼（PcBN）导热陶瓷，并在相同条件下制备氮化铝（AlN）导热陶瓷、β-碳化硅（β-SiC）导热陶瓷和聚晶金刚石（PCD）导热陶瓷的方案。本文首先采用热电偶测温法和金属熔点法对实验平台TH-V型六面顶压机进行了腔体温度和腔体压力的标定，然后对烧结粉料进行预处理和组装，并在6GPa和1500℃的高温高压条件下烧结PcBN陶瓷、AlN陶瓷、β-SiC陶瓷和PCD陶瓷。
　　通过对高压快速制备的PcBN陶瓷、AlN陶瓷、β-SiC陶瓷和PCD陶瓷进行密度、SEM、XRD、抗弯强度、热导率、热膨胀系数和热扩散系数检测，综合分析得到如下结论：
　　1.采用高温高压烧结的方法，可以快速实现cBN、AlN、β-SiC和金刚石等单晶粉末的致密化烧结，且烧结体中晶粒结晶程度高；
　　2.在cBN原料中适当添加铝（Al）和氮化铝（AlN），均可极大提高PcBN内部晶粒之间的粘合强度，从而提高PcBN陶瓷的抗弯强度并且改变PcBN陶瓷的断裂特征；
　　3.添加5％金属Al的PcBN陶瓷的热导率随着cBN粒度的增大而升高，当cBN粒度为8-12μm时，PcBN陶瓷的热导率可接近100W/mK，达到高导热陶瓷对热导率的要求；添加不同含量AlN的PcBN陶瓷的热导率随着AlN含量的增加而降低，添加5%的AlN、粒度为2-4μm的PcBN陶瓷的热导率接近90W/mK，基本达到高导热陶瓷对热导率的要求。说明合理的添加助烧剂可以使PcBN陶瓷具备高热导率；
　　4.添加Al或AlN的 PcBN陶瓷的热膨胀系数与Si的热膨胀系数相匹配；
　　5.高温高压烧结的AlN陶瓷和β-SiC陶瓷的热导率较低，但PCD陶瓷的热导率可达到129.5W/mK，完全可以满足高导热陶瓷对热导率的要求。
　　本文借助高温高压设备，在极短的时间内实现了cBN、AlN、β-SiC和金刚石等晶体粉末的烧结，克服了传统烧结工艺的缺点，提高了烧结效率。制备出的PcBN陶瓷具备较高的热导率，且在抗弯强度与热膨胀性能上均达到了电子封装陶瓷基板材料的使用要求。同时所制备的PCD陶瓷也具备较高的热导率，可用作未来新型导热陶瓷材料。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热导理论基础

1.3 烧结理论基础

1.4 导热陶瓷研究现状

1.5 本文的研究目的与方案

第2章 TH-V型六面顶液压机腔体温度和压力的标定

2.1 TH-V型大腔体六面顶液压机简介

2.2 温度和压力标定

2.3 小结

第3章 新型导热陶瓷的高温高压制备

3.1 原料

3.2 陶瓷的高压烧结方法

3.3 陶瓷的加工与检测方案

3.4 小结

第4章 PcBN陶瓷的性能检测与分析

4.1 密度测量结果与分析

4.2 XRD检测数据与分析

4.3 SEM形貌检测与分析

4.4 抗弯强度检测结果与分析

4.5 热导率检测结果与分析

4.6 线膨胀系数检测结果与分析

4.7 小结

第5章 AlN、β-SiC和PCD陶瓷的性能检测与分析

5.1 密度测量结果与分析

5.2 XRD物相检测与分析

5.3 热扩散系数检测与导热性能分析

5.4 小结

第6章 结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研及发表论文情况