AlN陶瓷的低温烧结与组织结构优化

摘要

随着微电子技术的不断发展，电力电子系统高集成度导致功率密度的提高，器件工作时产生的热量增加，Al2O3等传统的陶瓷基板已经难以满足电子封装工业对基板越来越高的热耗散性能的要求。由于具有优良的导热、介电及力学性能，AlN陶瓷在电力电子等领域得到愈加广泛的应用。
　　AlN为强共价键化合物，烧结活性很低，AlN陶瓷低温烧结面临很大的困难。本文采用Y2O3-Sm2O3-CaO复合双稀土助烧剂体系，开展AlN陶瓷的低温烧结工艺开发，研究不同助烧剂添加方式及其添加量对AlN陶瓷组成、结构及性能的影响，确定组织结构与性能的关系，实现低温烧结AlN陶瓷的组织结构优化。
　　以脱水硝酸盐的形式添加助烧剂利于其均匀分布，烧结活性高，采用Sm2O3、Y2O3共同添加的方式，比单一添加相同质量的Sm2O3促进烧结的效果更好。当稀土氧化物含量为2 wt％时，AlN陶瓷烧结生成CaYAl3O7和CaSmAl3O7第二相;当其含量增加到4 wt％时，其中除形成上述两种第二相外，还形成YAG和SmAlO3反应产物。助烧剂含量为1wt％Sm2O3、1 wt％Y2O3和2 wt％CaO时，1700℃烧结AlN陶瓷的抗弯强度和热导率分别达到321.4MPa、123.8 W/(m·K)。
　　低温烧结AlN陶瓷的致密度及其晶界第二相的组成、数量与分布状态是影响其性能的关键因素。在低温烧结AlN陶瓷完全致密的前提下，优化烧结助剂的组成与含量，有助于减少AlN陶瓷晶界第二相的量，有利于其在AlN三叉晶界处分布，从而进一步提高AlN的性能。采用脱水硝酸盐的形式添加2wt％ Sm2O3、2 wt％Y2O3及1wt％CaO烧结助剂，并在1750℃烧结制备的AlN陶瓷的第二相主要是YAG和SmAlO3，有少量的CaAl4O7相，AlN陶瓷显微组织结构均匀，断裂方式为沿晶和解理混合断裂形式，主要性能分别为热导率153.7 W/(m·K)，抗弯强度402.1MPa。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 AlN陶瓷的性能与应用

1．1．1 AlN陶瓷的结构与性能

1．1．2 AlN陶瓷的应用

1．2 AlN陶瓷的成形方法

1．2．1 干压成型

1．2．2 流延成型

1．3 AlN陶瓷的烧结方法

1．3．1 常压烧结

1．3．2 热压烧结

1．3．3 微波烧结

1．4 AlN陶瓷的性能及影响因素

1．4．1 热导率

1．4．2 热导率的影响因素

1．4．3 抗弯强度

1．4．4 抗弯强度的影响因素

1．5 AlN陶瓷烧结助剂的选取

1．6 AlN陶瓷烧结气氛的选取

1．7 国内外研究现状

1．8 本论文研究意义及研究内容

1．8．1 研究意义

1．8．2 主要研究内容

第二章 实验材料及方法

2．1 实验原料

2．2 试样制备工艺流程

2．2．1 配料

2．2．2 煅烧

2．2．3 造粒及成形

2．2．4 排胶

2．2．5 烧结

2．3 性能检测

2．3．1 密度

2．3．2 抗弯强度

2．3．3 热导率

2．3．4 物相组成

2．3．5 显微组织结构与断口形貌

2．4 主要仪器及设备

第三章 AlN陶瓷材料的制备及其结构与性能

3．1 研究方案设计

3．2 稀土硝酸盐的热分析

3．3 制备工艺

3．4 AlN陶瓷的性能

3．5 AlN陶瓷的显微结构分析

3．5．1 以脱水硝酸盐形式添加助烧剂

3．5．2 以氧化物形式添加助烧剂

3．6 助烧剂添加方式对AlN陶瓷显微结构及性能的影响

3．7 本章小结

第四章 助烧剂配比及烧结温度对AlN陶瓷结构及其性能影响

4．1 研究方案设计

4．2 物相分析

4．3 显微结构

4．4 AlN陶瓷的性能

4．5 AlN陶瓷的结构及其对性能的影响

4．6 本章小结

第五章 AlN陶瓷的结构与性能优化

5．1 方案设计

5．2 物相分析

5．3 显微结构

5．4 本章小结

第六章 全文总结

6．1 结论

6．2 创新点

参考文献

攻读硕士学位期间获得的成果