AlN陶瓷烧结致密化发展综述.docxVIP

PAGE PAGE 1 AlN陶瓷烧结致密化发展综述 1.1引言 随着航空航天和其他科学技术的迅速发展，人们对材料的特点及性能的要求也越来越高了。虽然AlN陶瓷最初主要为用集成电路基片而得到广泛的开发和研究，但随着AlN陶瓷基片制造技术的发展，以及性能和制备技术的不断的提高和改善，AlN陶瓷成为一种新型电子封装材料[1-2]。 AlN陶瓷的热导率高（理论热导率为319W/m·k）、介电常数低（1MHz下约为8.0）、高电阻率（体电阻率大于101??·cm）与Si相匹配的热膨胀系数（293~773K，4.8×10ˉ?Kˉ1）、低密度、绝缘、无毒害、耐腐蚀、热化学稳定性较好等优良的特点，是被认为理想的大规模集成电路基板和电子封装材料[3]。为实现AlN 与金属浆料共烧，对降低能量的损耗、提高产品性能都有重大的意义。虽然在国内对AlN陶瓷的研究较晚，但是最近几年以来通过很多研究者们的不断探索和研究，在粉末的制备和烧结，以及复合材料的制备等方面的研究均取得不错的进展。 AlN属共价化合物，自扩散系数很小，因此烧结致密非常困难，而且杂质等各种缺陷的存在对热导率也有很大的损害。所以通常需要用碱土金属氧化物和稀土金属氧化物来作烧结助剂促进烧结，但是仍然需要1800℃以上的烧结温度在高温高压的环境下烧结[4]。最近几年，由于减少能量的损耗，降低生产成本以及实现氮化氯与金属浆料的共同烧结等各种因素的考虑，人们也开始注意了对低温烧结AlN技术的研究。所谓的低温烧结指的是把AlN的烧结温度将降低到1600℃~1700℃之间可实现致密度较高的烧结，而且还是要去除AlN晶格内氧的杂质[5]。主要问题是能找到降低助烧液相的熔点，在低温作用的情况下能发挥助烧夜想的添加剂。AlN陶瓷致密化烧结不论受到热力学因素的影响，而且还受到动力学过程的影响，尤其是AlN陶瓷的低温烧结，液相生成温度以及液相的粘度和液相的流动性等因素直接影响烧结后的AlN陶瓷的性能和微观结构。乔梁等[6]在进行低温烧结AlN陶瓷的实验过程中，发现了随着烧结致密化的进程晶间液相向陶瓷表面迁移并在陶瓷表面发生富集的现象。Jackson等[7]发现，在对致密化烧结后的AlN陶瓷通过热处理时，也会发生晶间液相有向表面迁移的现象。本文主要解释AlN陶瓷的导热机理和影响热导率的各种因素以及从烧结助剂对AlN陶瓷致密化的影响的角度来介绍AlN陶瓷的研究进展。 1.2 AlN的性能和导热机理 1.2.1 AlN的性能 AlN是原子晶体，属于金刚石氮化物，最高稳定温度为2200℃，室温强度很高，而且随温度的升高强度的下降较慢。AlN的导热性好，热膨胀系数很小，是个良好的耐热冲击材料。AlN晶体的晶格常数分别为a=0.31nm，c=0.498，属于六方晶系，结构单元是以[AlN?]四方体的纤维矿型共价键化合物[8]。结果如图1.1所示。AlN晶体是呈白色或是灰色，常压下分解温度为2200~2450℃之间，理论密度为3.26g/cm3。除了这些AlN还具有良好的综合特性[9] ，主要性能参数见表1.1。 图 1.1 氮化铝的晶体结构 Fig.1.1 Crystal structure of aluminum nitride 表 1.1 氮化铝的主要性能[9] Table 1.1 Main performances of AlN Performance Item Indicators Remarks Theoretical value 320 W/(m·K) Thermal Heat conductivity Actual value 200 W/(m·K) 2?3 times of Al2O3 Property Coefficient of thermal 3. 5×10?6 K?1 (room-temperature to 200 ℃) Similar to Si (3.4×10?6 K?1) expansion Energy gap width: 6.2 eV; Resistivity at room Electrical Property Insulating property temperature: ≥1016 ?·m A good insulator Dielectric constant 8.0 Similar to Al2O3 Mechanical Property  Mechanical properties at room temperature Mechanical properties at high temperature  HV=12 GPa, E=314 GPa, σ=400?500 MPa At 1 30