氮化鋁陶瓷(AlN)燒結(jié)助劑如何選擇

    技術的高速發(fā)展使得人們對材料性能的要求越來越高，氮化鋁陶瓷材料因其高熱導率、低介電常數(shù)、與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)、熱化學穩(wěn)定性好、機械性能良好、無毒無害等優(yōu)點，廣泛應用在大規(guī)模集成電路、航空航天等重要領域，受到科研和工業(yè)越來越廣泛的重視。下面來和鈞杰陶瓷一下來了解一下吧
一、為什么需要AlN陶瓷燒結(jié)助劑呢？
AlN屬于共價化合物，原子間結(jié)合力強，自擴散系數(shù)小。根據(jù)燒結(jié)理論，鹽類的燒結(jié)溫度(Ts)和熔點(Tm)的關系為：
AlN熔點為 3300℃，因此AlN陶瓷的燒結(jié)溫度高達1900 ℃以上，嚴重制約了其在工業(yè)上的應用，添加合適的燒結(jié)助劑是降低AlN陶瓷燒結(jié)溫度的重要方法。

二、燒結(jié)助劑的作用原理
燒結(jié)助劑為某些稀土金屬、堿土金屬和堿金屬等的化合物， 例如Y2O3、CaO、CaF2、Li2O 等，其能有效促進AlN粉末的燒結(jié)，有助于提高燒結(jié)樣品的熱導率。
1、與AlN粉末表面的氧化鋁反應，形成低熔物，產(chǎn)生液相，利用液相傳質(zhì)促進燒結(jié)，提高材料的致密度；
2、與氧雜質(zhì)反應，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，起到純化晶格的作用，從而提高AlN燒結(jié)體的熱導率。
三、燒結(jié)助劑選用原則
1、在較低溫度下能與AlN顆粒表層的Al2O3發(fā)生共熔，生成液相，且產(chǎn)生的液相對AlN顆粒具有良好的浸潤性；
2、液相的流動性好，燒結(jié)后期在AlN晶粒生長過程的驅(qū)動下向三叉晶界流動，不至于形成AlN晶粒間的熱阻層；
3、添加劑與Al2O3有較強的結(jié)合能力，以利于脫除氧雜質(zhì)，凈化AlN晶格；
4、添加劑最好不與AlN發(fā)生反應，否則容易產(chǎn)生晶格缺陷。
四、燒結(jié)助劑的主要分類
AlN陶瓷熱力學研究表明，符合條件的低溫燒結(jié)助劑主要是一些稀土金屬氧化物及氟化物Y2O3、YF3堿土金屬氧化物CaO、CaF2及氟化物和少量具有還原性的化合物（Li2O、B2O等）。表1為常見的AlN燒結(jié)助劑的分類及特點匯總。
由于添加氧化物，會引入氧雜質(zhì)，不利于AlN基板的熱學性能與機械性能的提高，如CaC2助燒劑與AlN反應改變AlN與液相的界面自由能，影響AlN晶粒的生長和致密化。圖2為不同燒結(jié)助劑對AlN陶瓷的密度和抗彎強度的影響。

采用單一燒結(jié)助劑只能有限降低燒成溫度，提高樣品的熱導率也很有限，很難滿足使用要求，故材料學者們進行了多元復合體系燒結(jié)助劑的研究，以期在更低的溫度達到較好的燒成效果。研究表明：復合助燒結(jié)劑各組分相互配合，能更有效地降低燒結(jié)溫度，同時能較大幅度的提高AlN陶瓷的熱導率。
（1）Y2O3-CaO系
使用Y2O3-CaO系燒結(jié)助劑的AlN陶瓷常采用常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種工藝制備。常壓燒結(jié)制備的AlN陶瓷的第二相分布在AlN陶瓷晶界，可以降低燒結(jié)體的氧含量；熱壓燒結(jié)AlN陶瓷是在N2氣氛下石墨模具中進行的，C還原氣氛減少低溫燒結(jié)AlN的第二相，降低氧含量，由于部分產(chǎn)物以氣態(tài)的形式揮發(fā)，所以熱壓燒結(jié)AlN陶瓷的第二相含量降低。
（2）CaF2-Y2O3系添加劑
隨著CaF2含量的減少， 燒結(jié)體晶界相逐漸增多， 晶界變寬， 晶粒變小， 熱導率在CaF2質(zhì)量分數(shù)為3%時達到最大。CaF2熔融溫度低， 低溫即可與Al2O3反應形成液相。反應中生成的AlF3在高溫下升華， 而鈣和氮的化合物熔點較低，在高溫下易揮發(fā)，所以晶界中主要為鋁酸鹽相。
（3）CaF2-YF3系燒結(jié)助劑
YF3不引入氧，且比Y2O3有著較低的熔點，因此可作為燒結(jié)助劑被使用。CaF2-YF3體系在高溫下，液相化合物在AlN顆粒之間流動與重新分布，使得其中的YF3有充足的機會與AlN顆粒表面的氧，從而有效地降低了AlN顆粒表面的氧含量，減少了高溫下AlN晶格中氧缺陷的形成。加入CaF2 -YF3 系燒結(jié)助劑的試樣有更高的熱導率。

（4）Y2O3-CaO-Li2O系
添加Y2O3-CaO-Li2O系燒結(jié)助劑，在AlN陶瓷燒結(jié)過程中，Y2O3、CaO和Al2O3結(jié)合形成的鋁酸鹽液相，且保溫時間越長，液相量越多。該液相分布于AlN晶界，促進了燒結(jié)致密化及雜質(zhì)在AlN晶界的聚集，將氧原子束縛在晶界第二相中，AlN陶瓷的熱導率也逐漸增加。隨著燒結(jié)時間的延長，AlN晶格內(nèi)部的氧原子逐步向表面擴散，進一步凈化了AlN晶格，熱導率迅速增長。該助燒劑體系中Li2O的助燒作用就是明顯降低反應溫度，改善液相與AlN晶粒的潤濕性，促進低溫燒結(jié)AlN陶瓷的致密化。
氮化鋁(AlN)燒結(jié)助劑的選擇方法及分類鈞杰陶瓷就分享到這里啦鈞杰陶瓷是一家專業(yè)生產(chǎn)特種陶瓷和特種陶瓷加工廠家。公司現(xiàn)有自己的專業(yè)技術團隊，并與多家科研機構(gòu)及高等院校建立了密切的產(chǎn)學科研合作關系。鈞杰陶瓷常年致力于從事特種陶瓷材料的技術開發(fā)、產(chǎn)品設計制造以及現(xiàn)場施工，確保為用戶提供優(yōu)質(zhì)的特種陶瓷防腐材料及工程服務。咨詢鈞杰陶瓷聯(lián)系電話：136 998 99025。