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注射成形AlN-Y_2O_3陶瓷的结构与性能

时间:2017-6-24 9:01:00   来源:本网   添加人:admin

  AlN具有热导率高、绝缘性好、介电损耗小、化学性能稳定,与Si的热膨胀系数接近等传统基片材料AkO3所缺乏的突出优点,是大规模集成电路、半导体模块电路的理想散热材料和封装材料。但是AlN陶瓷具有高的硬度和脆性,即使采用硬质合金刀具也难以实现精密加工,而采用注射成形方法来生产AlN陶瓷复杂形状零件具有在低成本、低消耗的基础上成形复杂形状制品,产品尺寸精度高,无需或只需少量机械加工,易于实现机械自动化的特点,成为精密陶瓷成形技术中的收穑日期:2001―基金项目:国家“863”计划(715―一颗新星。通常纯AlN陶瓷难以烧结致密,需要在AlN中加入一定量的烧结助剂,这主要有Y23,CaO,Si2认为,1 600°C左右烧结时,Y2O3与AlN表面的氧化铝反应形成AI2Y4O9,AI5Y3O12,A1YO3.研究表明,在影响AlN陶瓷热导率的诸多因素中,氧含量和显微结构缺陷是主要的影响因素。当氧以氧离子的形式进入AlN晶格后,会形成铝空位等结构缺陷,显著降低声子的平均自由程,导致热导率降低。因此,有必要防止氧离子扩散进入AlN晶格之中。一般来说,防止氧离子进入AlN晶粒的主要措施有:选用含氧量低的AlN粉末,控制Y2O3的添加量和采取合适的烧结温度。采用注射成形的方法来制备A1N陶瓷在国内尚无相关报道,烧结助剂在注射成形条件下对AlN中第二相的种类、分布和材料性能的影响作用还有待进一步研究。

  本工作采用注射成形工艺制备AlN陶瓷精密导热环,研究不同含量的Y2O3烧结助剂对A1N陶瓷显微结构和性能的影响。

  1实验实验用AlN粉末为高温自蔓延方法制备。粉末的主要性能见表1.烧结助剂为Y2O3,其纯度大于99.9%.Y2O3的质量分数为1%~7%之间(以下用xY―A1N来表示,其中x为Y2O3的质量分数)注射用粘结剂选用蜡基的热塑性体系,组元主要有石蜡(PW)、乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)、高密度聚乙烯(HDPE)和硬脂酸(SA),各组元的性质见表表1AlN粉末性质表2粘结剂各组元的性质Table ~7%的Y2O3用无水乙醇作介质,置于塑料球磨筒中,用AI2O3磨球球磨3h,然后烘干并过筛得到AIN+Y2O3复合粉末。将粉末和设计好的粘结剂体系以60. 8%(体积分数)的装载量在一定的温度下于XSS―300型混炼机上混料2h成均匀的喂料,喂料再经过挤出制粒后在S-28型注射机上注射成A1N导热环样品。注射坯脱脂在硅钥脱脂炉中进行,并采用流动的N2为保护气氛,具体的脱脂工艺过程见。脱脂完毕后将脱脂坯置于碳管炉中,流动N2气氛下高温烧结成产品。

  用排水法测量样品的密度,物相分析在日本产3014―Z2型X射线自动衍射仪上进行,通过在扫描电镜上观察显微形貌并对晶界和晶粒进行能谱分析,采用热脉冲法用R―2激光热导仪测量A1N的热导率。

  2结果和讨论2.1注射成形AlN陶瓷热导率和烧结温度、Y2O3添加量的关系在1 850°C之间极为明显。在1 5Y―A1N的晶粒长大尚未完全,基体内布满孔洞(见a)当烧结温度到达1 800°C时,5Y―AlN的晶粒已经长大,晶粒在6~7 Mm左右,晶界也逐渐分明,但是烧结体尚未致密,基体中还存在着少量的孔洞(见b)到1对密度已经达到99. 5%(理论密度取3.3g/cm3)热导率为167.5WWmD基体致密,无缺陷,晶粒在8~9m左右(见c)随着烧结温度继续提高到1870 5Y―A1N的相对密度和热导率几乎无变化。可见,在本研究条件下,注射成形AlN的ournalElectronicPub趾真中心当AlY2°k,rS量盆数在3%时京就出现了2.2Y2O3含量对注射成形AlN陶瓷相组成的影响结2h的相组成见表3.结果表明:各成分AlN中的主晶相为AlN,但是晶界第二相的种类产生了较大的变化。当Y2O3含量较少时,注射成形AlN中的第二相以钇铝酸盐为主,这和其它一些采用传统成形方法制备的AlN中的晶界第二相的种类基本一致,即Y2O3与Al2O3反应生成钇铝酸盐液相来促进烧结体致密化过程,并在晶界上沉积形成晶界第二相。但是随着Y2O3含量的增加,注射成形AlN中的晶界第二相发生了显著的变化,钇铝酸盐消失了,出现了YN和Y2O3,而在中,当Y2O3添加到12%时,AlN中才出现Y2O3,并且还有钇铝酸盐的存在。可见,添加较多Y23注射成形AlN陶瓷中晶界第二相的组成和传统成形方法制备的AlN晶界第二相的组成有较大的差别。

  表3不同Y2O3添加量的AlN陶瓷在1850°c烧结2h的相组成和烧结密度在注射成形工艺中加入了40%(体积分数)左右的粘结剂,粘结剂脱除之后会在AlN中残留一定量的C,经测量,各成分的AlN脱脂坯中碳的质量分数在0.34%至0. 52%之间,而原始粉末中碳的质量分数仅有0.072%,在烧结过程中,这部分C将会讨AlN中第二相的形成产生显著影响。Watari研究发现,在AlN的烧结过程中,在C气氛下可以发生如下反应:在AlN中加入适当的C,还可以在晶界上发生反应(3),生成YN来有效地去除晶界上的氧,提高热导率。

  从热力学角度来说,Y2O3比Al2O3更为稳定,烧结时,注射成形AlN中的C将先和AlN粉末表面的Al2O3发生反应(1),使得和Y2O3反应生成钇铝酸盐的Al2O3含量减少。与此同时,烧结助剂Y2O3也会和残余的Al23反应生成钇铝酸盐,但由于Al2O3含量的减少,在注射成形AlN中不易出现钇铝酸盐,随着Y2O3含量的增加,过剩的Y2O3在晶界上沉积下来形成新的第二相Y2O3,而少量的钇铝酸盐通过反应式(3)生成YN,少量的Y2O3通过(2)式也可以产生少量的YN.因此,在注射成形Y23的晶界相;而且当Y23质量分数大于5%时,钇铝酸盐就已经难以存在了。

  2.3注射成形AlN-Y2O3陶瓷的显微结构和性能为添加不同含量Y2O3的注射成形AlN陶瓷在1850°C烧结致密后的热导率变化曲线。注射成形AlN的热导率和传统成形方法制备的AlN陶瓷变化规律基本一致112,随着烧结助剂Y2O3含量的增加,AlN的热导率也增加,并在5Y―AlN达到最大,为165.2Wm-1If1,然后AlN的热导率急剧降低,当Y2O3的质量分数为7%时,AlN的体热导率降到120W.!1.1.在影响AlN热导率的各项因素中,AlN是否完成致密化是其前提条件。由于AlN为强共价键化合物,纯AlN是难以烧结致密的,必须添加烧结助剂,1Y―AlN和2Y―AlN中添加的Y2O3量较少,在1850°C烧结没有完全致密,因此热导率较低。

  随着Y2O3添加量的增加,AlN已经能够完成致密化过程,其热导率逐渐上升,这和用传统方法制备的AlN热导率变化规律一致,即Y2O3的加入能够与Al2O3反应生成各种钇铝酸盐,从而降低溶解在AlN晶粒中的氧含量,提高多晶AlN的热导率16,并在5Y―AlN达到最大。为典型的5Y―AlN的高倍断口形貌,烧结致密的AlN晶粒长大完全,呈典型的六方晶系,晶粒度在7~8 Mm.在晶界上存在有少量晶界第二相。当Y2O3的质量分数超过5%时,AlN的热导率开始下降。

  5Y―AlN陶瓷的典型断口形貌在7Y―AlN中AlN烧结体也已经致密,晶粒也能够较好的贯通,但是其热导率却显著低于5Y―AlN,可见,还有其它的因素在影响着AlN的热导率。XRD衍射结果已经表明,由于注射成形残碳量的影响,在5Y―AlN中已经有多余的Y2O3形成晶界相,残留在AlN晶粒间,而7Y―AlN则更多。多余的Y2O3造成AlN中氧含量的增加。研究表明:在高温下氧容易扩散进入AlN晶粒中,产生晶格歪扭、氧离子空位等缺陷,严重影响AlN基体的热导性能。为5Y―AlN和7Y―AlN晶粒的能谱图,结果表明在7Y―A1N中氧已经大量扩散进入了A1N晶粒中,而5Y―A1N中则要少得多。

  在中还可以发现在A1N的晶粒中还存在有少量的碳,这同样会削弱A1N晶粒的热性能,可见在注射成形A1N中,有效地控制C的含量与分布是有实际意义的。

  3结论采用注射成形工艺路线成功制备了热导率-K―1的A1N陶瓷导热环。

  在本实验条件下,随着烧结温度提高到1850°Q注射成形A1N陶瓷能够致密化,相对密度大于99%并且其热导率随着烧结温度的提高而上升。

  艺时,晶界第二相的组成和传统模压成形工艺有较大的区别,这主要和注射成形工艺中引入的残碳量有关。在Y2O3质量分数大于5%时A1N中已经难以出现钇铝酸盐相,而大量出现的是YN和剩余的Y23.随着烧结助剂Y23含量的增加,A1N的热导率也增加,并在5Y―A1N达到最大值。

  注射成形A1N陶瓷工艺中,氧离子是否扩散进入晶格和粘结剂脱除后的残碳量对注射成形A1N陶瓷的热导性能有一定影响。