张波—氮化铝.ppt

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GaAs晶体坩埚、Al蒸发皿、磁流体发电装置及高温透平机耐蚀部件，利用其光学性能可作红外线窗口 红外线窗口 铝蒸发皿 3、抗热性能好，可用于制造性能优越的加热器。 * *