AlN 陶瓷资料.doc

AlN 陶瓷因具有高的热导率( 室温下理论热导率为319W/(mK)、低的介电常数(25为8.8MHz)、与Si相匹配的热膨胀系数(20400时为4.310-6 / )、良好的绝缘性(25时电阻率大于1014cm)然而,AlN 陶瓷属于共价化合物,自扩散系数很小(小于10-13cm2/s) ,难于烧结致密,且杂质等各种缺陷的存在对其热导率亦有很大的损害。导热机理在AlN 陶瓷材料中,热量是由晶格振动的格波来传递的。根据量子理论,晶格振动的能量是量子化的,这种量子化的能量被称为声子。格波在晶体中传播时遇到的散射可被看作是声子与质点的碰撞,而理想晶体中的热阻可归结为声子与声子之间的碰撞,由此Debye 首先引入声子的概念来解释陶瓷的热传导现象,并得出类似气体热传导的公式:式中：为陶瓷的热导率,c为陶瓷的体积热容,v为声子的平均速度, l为声子的平均自由程。由此可知,热导率与声子的平均自由程成正比。理想的AlN 陶瓷烧结体热导率主要由声子的平均自由程决定。声子的平均自由程l主要受到2个因素的影响： (1) 声子-声子的碰撞使声子的平均自由程减小。晶格振动的格波相互作用越强，声子间的碰撞概率越大，相应的平均自由程越小；(2) 晶体中的各种缺陷、杂质以及晶界都会引起格波的散射，从而使得声子平均自由程减小。Watari 等的研究表明热导率在室温附近达到最大值。高温时,热传导主要由声子-声子散射决定，且随着温度的升高，声子-声子散射加剧,平均自由程减小,热导率降低；低温时,热传导主要由声子-缺陷散射和/或声子-晶界散射决定，且随着温度的降低,平均自由程亦减小,热导率降低。热导率的影响因素影响AlN 陶瓷热导率的因素主要有：晶格中杂质元素的含量，特别是氧元素的含量；烧结体的致密度；显微结构及烧结工艺等。(1) 杂质氧杂质是影响AlN 陶瓷热导率的主要因素。AlN 与氧有很强的亲和性,在AlN 晶格内容易形成空位、八面体、多型体和堆垛层错等与氧有关的缺陷,这些缺陷对声子的散射大大降低了AlN 陶瓷的热导率。AlN 晶格中的本征缺陷主要由固溶于AlN 中的Al2O3造成。缺陷种类与氧即Al2O3 的含量有关。根据AlN 晶格中氧含量的不同, Harris 等提出了3 种缺陷形式： 当O 0. 75 %(原子分数)时,O 原子均匀分布于AlN晶格中,取代N 位,形成Al 空位,如式所示。Al2O3 -2AlAl + 3ON + VAl 式中:ON 为O 占据AlN 中N 点阵的替位缺陷，VAl 为Al 的空位; 当O 0. 75 %时,孤立的缺陷会产生团聚,铝原子与氧原子形成八面体缺陷,每形成1 个八面体缺陷,就会消失2 个VAl ; 当O m 0. 75 %时,将形成含O 的堆垛层错、反演畴界和多型体等缺陷。图1 为AlN 烧结体中氧含量(质量分数) 与热导率的关系图。从图1 中可以看出随着氧含量的增加,热导率明显降低。因此,为了得到高导热性能的AlN 陶瓷,必须尽可能降低AlN 烧结体中的氧含量。为此,一方面可以选择优质的AlN 粉体进行烧结;另一方面,可以通过改善烧结工艺达到降低烧结体中氧杂质的目的。值得一提的是,测量AlN 晶格中的氧含量,除了采用直接测量的方法外,还可以通过测量AlN 晶格常数的大小间接获得。由于氧杂质的增多而产生的铝空位使AlN 晶格的c轴值降低,所以较低的c 轴常数与较高的氧含量、较低的热导率相一致。因此可以通过测量AlN 晶格常数值来表征AlN 晶格中氧含量的多少和热导率的高低。除O 外,其它杂质如Fe 、Si 、Mg 及SiO2 等的存在也会降低AlN 的热导率。(2) 致密度高致密度是AlN 陶瓷烧结体获得高热导率的前提。如果烧结体不致密,存在的大量气孔会散射声子,进而降低热导率。一般认为,AlN 陶瓷的热导率随着其致密度的提高而提高。当然这种关系也不是线性的,因为AlN 陶瓷晶格中的氧含量对其热导率有着决定性的影响。另一方面,随着致密度的提高,机械性能也会得到改善。因此,为了得到高性能的AlN 陶瓷,首先要提高其致密度。为了得到致密的AlN陶瓷,一般采用提高烧结温度、加入烧结助剂、热压烧结等方法。Qiu J Y等通过在一般AlN 粉末中添加纳米级颗粒的AlN 颗粒进行烧结,结果显示加入一定量纳米级AlN 颗粒也可以促进AlN 陶瓷的致密化。(3) 显微结构一般而言,AlN 陶瓷烧结体主要由AlN 晶相、铝酸盐第二相(晶界相) 以及气孔等组成,而AlN 陶瓷热导率与各相显微结构密切相关。除因氧等杂质的引入而造成的AlN 晶格缺陷和气孔等对热导率损害较大外,第二相的存在也有重要影响,其中第二相的分布状态对热导率的影响尤为重要。第二相在AlN 陶瓷中主要以2 种形式分布,即孤岛状分布和连续分布。第二相孤岛状分布于三叉晶界处比连续分布于AlN 晶界更有利于提高热导率。因此,烧结AlN 陶瓷过程中,应尽可能使第二相位于三叉晶界处,为此,可以通过改善烧结工艺来实现,如提高烧结温度、延长保温时间、热处理等。另外, 烧结过程中引入的烧结助剂与AlN 粉体中的Al2O3 发生反应,形成低热导率的晶界第二相(如Y3Al5O12的热导率仅为11W/ (m K) ) 。大量第二相的存在必然会降低AlN 陶瓷的热导率。计。(4) 烧结工艺烧结工艺对AlN 陶瓷烧结体热导率的影响很大。常压烧结和热压烧结是现阶段主要采用的2 种烧结工艺,常压烧结是AlN 陶瓷烧结中最常用的方法。一般来讲,常压烧结的烧结温度较高,除氧能力较差且不易致密化。与常压烧结相比,热压烧结的烧结温度要低得多(低200300 ) ,除氧能力强,且烧结体致密度高,但热压烧结只能制备形状不太复杂的样品,且设备昂贵。黄小丽等分别采用常压烧结和热压烧结工艺,获得了晶格氧含量为1. 25 %和0. 49 %的AlN 陶瓷,对应热导率分别为170W/ (m K) 和200W/ (m K) 22 。在AlN 陶瓷烧结过程中,为了降低AlN 晶格中的氧含量,无论采用何种烧结工艺,均需在一定的保护气氛下进行。一般认为,采用流动N2 保护下的还原气氛能够在烧结后期通过碳热氮化还原反应减少AlN 中的杂质氧含量,从而有利于提高AlN 陶瓷烧结体的热导率。另外