机械力活化合成超细氮化铝(ALN)电子陶瓷粉体材料.doc

本项目采用高能球磨技术（关键技术或技术创新点技术），通过对氧化铝（Al2O3）和碳（C）粉活化处理，从而降低碳热还原氮化法制备氮化铝（AlN）粉末的反应温度和反应 .&机械力活化合成超细氮化铝(ALN)电子陶瓷粉体材料西安交通大学机械合金化新材料课题组项目概述本项目采用高能球磨技术（关键技术或技术创新点技术），通过对氧化铝（Al2O3）和碳（C）粉活化处理，从而降低碳热还原氮化法制备氮化铝（AlN）粉末的反应温度和反应时间，大幅度的降低AlN生产成本，获得超细AlN陶瓷粉末，为AlN陶瓷基片的生产提供优质原料，改变目前AlN粉末主要依靠进口的局面。这一项目首次将高能球磨机械力活化技术引入AlN生产。项目产品主要应用于集成电路封装、集成电路基板制造、聚合物填料及特种工业陶瓷制造等行业。项目背景近几十年来，由于氧化铝陶瓷基片的大量运用，给通讯、电子、汽车、电力、医疗和航空航天等领域带来了巨大的变革。特别是当今整个电子器件的基本发展趋势是高密度、多功能、快速化和大功率。如何使电子器件中的热量尽快散发，成为电子元器件制造的重要障碍，氧化铝陶瓷基片已不能胜任。而氮化铝陶瓷具有高热导率、无毒性、高电阻率、高绝缘强度以及与硅接近的热膨胀系数及低的介电常数，被认为是最理想的基片材料，必将逐渐取代氧化铝基片。目前,AlN粉末的合成方法虽有多种,但真正能用于工业生产的只有铝粉直接氮化法和碳热还原法。其它方法如化学气相沉积法、裂解法和等离子化学法因产量少、或难于控制等原因，主要用于实验研究。既使是目前工业上常用的两种方法,其本身也存在不少缺点。如铝粉直接氮化法反应时间较长,对工艺条件比较敏感,稍控制不当,铝即发生熔融,容易造成自烧结和产品质量不稳定。碳热还原法反应温度较高,而且需要二次除碳工艺,生产成本较高。世界上AIN粉体市场需求量估计是目前世界AlN产品的生产能力的34倍。AlN粉体的价格取决于供应商、粉体特性和成交数量而变化于1500-1800元/千克之间。国内对AlN基板的年需求量超过5万平方米，而我国AlN生产为空白，仅此一项即需求AlN粉末在500吨以上。国内目前对氮化铝的需求将日益高涨，氮化铝粉末的低成本高品质生产成为AlN基片生产的瓶颈。使用机械力活化已成功的合成了纳米晶氮化铝，与通常碳热还原反应合成氮化铝工艺相比，氮化铝合成温度大幅度降低，由1650以上降低至1250-1300，反应时间缩短，由常用的6-8h缩短至3-4h。因而这一方法较传统的方法具有更多的优势，主要体现在大幅降低能耗和原料及设备成本，更易于实现工业实用化。目前项目进展情况本项目产品从2000年开始研制，前期主要完成了以下工作：1、研究了机械力活化促进氧化铝碳热还原反应的原因 ；2、研究解决了氧化铝粉末球磨过程中的污染问题； 3、利用高能球磨活化碳热还原法合成了纳米晶的氮化铝粉末；4、利用机械力活化合成氮化铝粉末烧结制得了氮化铝陶瓷； 5、确定了合理的球磨工艺和反应工艺；6、设计制造了实验所使用的多功能高能球磨设备。 下一步需要解决的问题有：1研制可用于生产的大容量高能球磨机（50千克级）；2. 购置可用于批量生产的可控气氛反应炉；3由实验工艺向实现稳定批量生产的生产工艺的转移和完善；4建立相应的企业标准；5. 实现质量稳定的超细氮化铝粉末批量生产。项目计划目标质量指标产品暂无国家标准、项目完成时通过技术监督局备案；项目完成时，企业通过ISO9000：2000质量管理体系认证；项目完成时，其主要的技术指标达到：（1）碳热还原反应制备氮化铝的反应温度1300（2）反应时间4小时 （3）反应制备的AlN纯度在99%以上（4）平均粒度1m，O1%，Fe395995氧含量2%1010m)，低密度(3.3Kg/m3)和无毒害等特点，已被视为新一代的高密度、大功率电子封装中最理想的陶瓷基板材料。 AlN 陶瓷性能优异，但其商业化程度较低，究其原因主要有：目前AlN粉末售价高，为电子级Al2O3的4倍； AlN含氧量对工艺条件和原料纯度十分敏感，大规模生产的重复性差；AlN在潮湿空气中、水中极易水解，贮存困难；AlN难以烧结，韧性差。其中AlN粉末的合成成本高是其难以商业化的关键。AlN粉末的制备方法很多，按反应物的状态来划分，可分为气-气反应，如气相反应法和等离子体法；气-液反应，如电弧熔炼法和直接氮化法；液-液反应，如裂解法；气-固反应，如高能球磨法（High-Energy Ball Malling,HEBM法）；固-固反应法，如碳热还原法和自蔓延高温合成法（Self-propagating High Temperature Synthesis,SHS法）等等。传统的合成方法存在明显的缺点：反应合成温度太高，反应时间太长，造成AlN粉末价格高居不下；合成粉末的烧结温度太高，其成品价格更高，在我国目前生产AlN陶瓷基片所用的AlN陶瓷粉末以进口为主。机械合金化（Mechanical Alloying，简称MA）是由美国INCON公司的Benjamin在二十世纪六十年代开发成功的一种材料加工新技术。八十年代初Yermokov和Koch等人相继用MA实现了非晶化。1988年Shingu通过高能球磨制备纳米材料。由于Al2O3的碳热还原反应一般在高温下进行，高能球磨产生的反应驱动力相对于反应自由能要小的多，通过高能反应球磨原位合成困难较大，作为一种新的材料制备方法，机械力活化合成应运而生。机械力活化合成（Mechanical Activation Synthesis）这一名词首次于1998年由Ren提出，指先球磨活化固体，然后再在高温进行反应合成的方法。我们的研究表明，机械力活化合成AlN粉末，是降低AlN粉末合成温度、缩短反应时间以及降低随后的烧结温度的经济有效的实用化途径。 表1 国内、外AlN粉体材料比较国外国内发展现状生产方法传统、工艺成熟、产品质量较好、产能稳定工艺多样化、初步形成产能存在问题工艺单一、能耗高、生产成本居高不下生产工艺成熟度低、产品质量和产能均不稳定发展趋势逐步改进现行工艺，以求部分降低生产成本，扩大应用范围完善生产工艺、改善产品质量、并快速扩大产能本产品与其它公司产品技术指标对比 公司技术指标国内公司国外公司本项目颜 色 浅灰色至白色白色墨绿色体积密度 0.06 g/cm30.04 g/cm30.05 g/cm3晶 型 六方六方六方化学成分Al65.0%65.5%65.5%N33.0% 33.0%33.0%O1.2% 0.84%0.8%C0.05 % 310ppm0.05 %Fe 1.0% 8ppm0.5%Si 500 ppm 9ppm-Ca