氮化铝陶瓷基片制造并非易事:氮化铝的很大特点是热膨胀系数(CTE)与半导体硅(Si)相当,且热导率高,理论上氮化铝热导率可达到320W/(m·K),但成本很高。由于制备氮化铝陶瓷的重点原料氮化铝粉体制备工艺复杂、能耗高、周期长、价格昂贵,国内的氮化铝粉体很大程度上依赖进口。原料的批次稳定性、成本也成为国内氮化铝陶瓷基片材料制造的瓶颈。氮化铝基板生产呈地区集中状态,美国、日本、德国等国家和地区是全球很主要的电子元件生产和研发中心,在氮化铝陶瓷基片的研究已远早于国内。日本已有较多企业研发和生产氮化铝陶瓷基片,目前是全球很大的氮化铝陶瓷基片生产国。结晶氮化铝易潮解,在湿空气中水解生成氯化氢白色烟雾。东莞高导热氮化铝生产商
生产方法:将氨和铝直接进行氮化反应,经粉碎、分级制得氮化铝粉末。或者将氧化铝和炭充分混合,在电炉中于1700℃还原制得氮化铝。将高纯度铝粉脱脂(用抽提或在氮气流中加热到150℃)后,放到镍盘中,将盘放在石英或瓷制反应管内,在提纯的氮气流中慢慢地进行加热。氮化反应在820℃左右时发出白光迅速地进行。此时,必须大量通氮以防止反应管内出现减压。这个激烈的反应完毕后,在氮气流中冷却。由于产物内包有金属铝,可将其粉碎,并在氮气流中于1100~1200℃温度下再加热1~2h,即得到灰白色氮化铝。另外,将铝在1200~1400℃下蒸发气化,使其与氮气反应即得到氮化铝的须状物(金属晶须)。此外,也有将AlCl3·NH3加成物进行热分解的制法。直接氮化法:将氮和铝直接进行氮化反应,经粉碎、分级制得。氮化铝产品质量受反应炉温、原料的预混合以及循环氮化铝粉末所占的混合比例、氮化铝比表面积等条件的影响。因此需严格控制工艺过程,得到稳定特性的氮化铝粉末(如比表面积、一次粒径、凝聚粒径、松密度和表面特性等)。超细氮化硼价格氮化铝有较高的传热能力,至使氮化铝被大量应用于微电子学。
氮化铝陶瓷的注射成型:排胶工艺,由于注射成型坯体中有机物含量较高,排胶过快会造成坯体开裂、起泡、分层和变形,因此,如何快速高效排胶成为注射成型的一大难点。排胶工艺包括热排胶和溶剂排胶。起初主要采用热排胶,简单地把有机物烧除,这种方式能耗高、时间长。为了提高排胶效率,一些学者探索了溶剂排胶的工艺。由于粘结剂中石蜡占比重较大,溶剂排胶主要是将坯体中的石蜡溶解,其他粘结剂仍能维持坯体形状。溶剂排胶结合热工艺排胶可以缩短排胶时间。注射成型的工艺特点:可近净尺寸成型各种复杂形状,很少(或无需)进行机械加工;成型产品生坯密度均匀,且表面光洁度及强度高;成型产品烧结体性能优异且一致性好;易于实现机械化和自动化生产,生产效率高。
氮化铝陶瓷的制备技术:压制成形的三个阶段:一阶段,主要是颗粒的滑动和重排,无论是一般的粉体或者造粒后的粉体,其填充于模具中的很初结构中都含有和颗粒尺寸接近或稍小的空隙。第二阶段,颗粒接触点部位发生变形和破裂,当压力超过颗粒料的表观屈服应力时,颗粒发生变形使得颗粒间空隙减小,随着颗粒的变形,坯体体积很大空隙尺寸减少,塑性低的致密粒料对应的屈服应力大,达到相同致密度所需要更高的压力。第三阶段,坯体进一步密实与弹性压缩,这一阶段起始于高压力阶段,但密度提高幅度较小,此阶段发生一定程度的弹性压缩,这种弹性压缩过大,则在脱模后会造成应力开裂与分层。模压成型的优点是成型坯体尺寸准确、操作简单、模压坯体中粘结剂含量较少、干燥和烧成收缩较小,特别适用于制备形状简单、长径比小的制品。但是,这种传统的成型方法效率低,且制得的AlN陶瓷零部件的尺寸精度取决于所用模具的精度,而高精度模具的制备成本较高。通过将导热能力优异的AlN纳米颗粒添加到环氧树脂中,可有效提高材料的热导率和强度。
提高氮化铝陶瓷热导率的途径:提高氮化铝粉末的纯度,理想的氮化铝粉料应含适量的氧。除氧以外,其他杂质元素如Si、Mn和Fe等,也能进入氮化铝晶格,造成缺陷,降低氮化铝的热导率。杂质进入晶格后,使晶格发生局部畸变,由此产生应力作用,引起位错、层错等缺陷,增大声子散射,故应该提高氮化铝的粉末的纯度。改进氮化铝粉末合成方法,制备出粒径在1μm以下,含氧量1%的高纯粉末,是制备高导热氮化铝陶瓷的前提。此外,对含烧结助剂的氮化铝粉末,引入适量的碳,在制备氮化铝陶瓷的烧结过程中,于致密化之前,先对氮化铝粉末表面的氧化物进行还原碳化,也能使氮化铝陶瓷的热导率提高。氮化铝膜在微电子和光电子器件、衬底材料、绝缘层材料、封装材料上有着十分广阔的应用前景。东莞高导热氮化铝生产商
由于氮化铝压电效应的特性,氮化铝晶体的外延性伸展也用於表面声学波的探测器。东莞高导热氮化铝生产商
氧杂质对热导率的影响:AIN极易发生水解和氧化,使氮化铝表面发生氧化,导致氧固溶入AIN晶格中形成铝空位缺陷,这样就会导致声子散射增加,平均自由程降低,热导率也随之降低。因此,为了提高热导率,加入合适的烧结助剂来除去晶格中的氧杂质是一种有效的办法。氮化铝陶瓷的烧结的关键控制要素:AlN是共价化合物,原子的自扩散系数小,键能强,导致很难烧结致密,其熔点高达3000℃以上,烧结温度更是高达1900℃以上,如此高的烧结温度严重制约了氮化铝在工业上的实际应用。此外,AlN表层的氧杂质是在高温下才开始向其晶格内部扩散的,因此低温烧结还有另外一个作用,即延缓烧结时表层的氧杂质向AlN晶格内部扩散,减少晶格内的氧杂质,因此制备高热导率的AlN陶瓷材料,低温烧结技术的研究势在必行。目前工业上,氮化铝陶瓷的烧结有多种方式,可以根据实际需求,采取不同的烧结方法来获得致密的陶瓷体,无论用什么烧结方式,细化氮化铝原始粉料以及添加适宜的低温烧结助剂能够有效降低氮化铝陶瓷的烧结温度。东莞高导热氮化铝生产商
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