张波—氮化铝

汇报人 张波2012年11月13日 氮化铝AlN 氮化铝 由氮和铝两元素人工合成 白色或灰白色 密度 3 235g cm3 AlN是原子晶体 属类金刚石氮化物 最高可稳定到2200 六方纤锌矿结构晶格参数 a 3 114 c 4 986 1 热导率高 约320W m K 接近BeO和SiC 是Al2O3的5倍以上 2 热膨胀系数 4 5 10 6 与Si 3 5 4 10 6 和GaAs 6 10 6 匹配 3 各种电性能 介电常数 介质损耗 体电阻率 介电强度 优良 4 机械性能好 抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷 可以常压烧结 5 纯度高 光传输特性好 6 无毒 7 可采用流延工艺制作 是一种很有前途的高功率集成电路基片和包装材料 氮化铝粉体的制备 1 铝粉直接氮化法 在高温氮气氛围中 铝粉直接与氮气化合生成氮化铝粉末 反应温度 800 1200 优点 原料丰富 工艺简单 适宜大规模生产 缺点 强放热反应 速度很快 大的熔融 铝珠 造成产物高温下易凝结成块 铝粉表面上逐渐生成的氮化物膜 使氮气难以进一步渗透 氮化速度减慢 掺加少量的氟化钙或氟化钠等氟化物作触媒 可以有效地防止铝结块 2 碳热还原法 将超细氧化铝粉和碳粉混合 在流动的氮气气氛中 利用碳还原Al2O3 被还原出的Al与氮气在流动状态下反应生成AlN 加入适当过量的碳 既能加快反应速率又能提高铝粉的转化率 还有助于获得粒度均匀 粒径分布适宜的AlN粉 脱碳处理 优点 是合成粉末纯度高 性能稳定 粉末粒度细小均匀具有良好的成形烧结性能缺点 反应温度高 合成时间长 需要二次除碳 工艺复杂 成本高 3 自蔓延高温合成法 用外加热源点燃反应物 利用铝粉氮化过程中放出的高化学反应热自加热 自传导合成氮化铝材料的一种方法 又称燃烧合 实质就是铝粉的直接氮化 优点 反应速度快 合成时间短 无需外部电源加热 因此能耗少 生产效率高 成本低 缺点 反应速度太快 反应产物易结块 反应不完全 难以制备高质量的粉末 4 溶剂热合成法 该方法是在密闭的体系中 以有机溶剂为介质 加热至一定的温度 在溶剂自身产生的压强下 体系中的物质进行化学反应 产生新的物相或新的物质 200 条件 二甲苯为溶剂 在不锈钢反应釜中合成 经700 退火处理 得到氮化铝纳米晶 粒度分布较窄且纯度较高 氮化铝纯度随着反应温度升高而增加 同时添加一定的表面活性剂可以提高氮化铝的结晶度 氮化铝陶瓷的烧结方法 AlN为共价化合物 通常的烧结温度下很难烧结致密 而致密度不高的材料又很难具有较高的热导率 AlN对氧有强烈的亲合力 部分氧会固溶入AlN的点阵中 形成铝空位 降低其热导率 两个问题 第一是降低烧结温度 第二是在高温烧结时 要尽量避免氧原子溶入氮化铝的晶格中 解决方法 添加烧结助剂 烧结助剂为某些稀土金属 碱土金属和碱金属等的化合物 如Y2O3 CaO CaF2 Li2O等 机理 一方面 它可与AlN粉末表面的氧化铝反应 形成低熔物 产生液相 利用液相传质促进烧结 提高材料的致密度 另一方面 烧结助剂与氧杂质反应 在晶界以Y Al2O3和Ca Al2O3化合物的形式析出 降低AlN晶格的氧含量 起到纯化晶格的作用 从而提高AlN烧结体的热导率 如果添加剂采用纳米粉 因其比表面积增大 表面活性极高 除降低液相温度外还可增大烧结驱动力 进一步促进烧结 反应烧结法常压烧结法热压烧结法等离子体活化烧结法 促进AlN烧结致密化和降低制备成本方面具有很大的发展潜力 微波烧结 新型 高效 烧结方法 氮化铝陶瓷的性质与用途 1 氮化铝陶瓷基片 热导率高 膨胀系数低 强度高 耐高温 耐化学腐蚀 电阻率高 介电损耗小 2 AIN陶瓷耐热耐熔体侵蚀和热震性 可制作GaA