烧结助剂对AIN陶瓷力学性能及热导率的影响

【摘要】： AlN陶瓷因为具有高的热导率,低的介电常数,与Si相匹配的热膨胀系数,良好的绝缘性,热化学稳定性好,无毒等优点,成为高密度集成电路基板材料的最佳选择。然而AlN属于共价化合物,自扩散系数小,难于烧结致密,为了获得致密的AlN陶瓷,一般采用高温烧结,增加了生产成本。为了降低成本,在较低的烧结温度下获得高性能的AlN陶瓷,通常采用添加烧结助剂的方式。迄今为止,关于不同烧结助剂对AlN陶瓷性能的影响方面的工作已经有大量的报道,但关于烧结助剂添加方式对AlN陶瓷性能影响方面的研究还少见报道。为此,本文分别采用原位生成(添加Y(NO3)3·6H2O)和直接添加两种方式引入Y2O3作为烧结助剂,研究烧结助剂不同添加方式对AlN陶瓷力学性能及热导率的影响。 研究结果表明,原位生成的添加方式较直接添加更有利于AlN陶瓷力学性能的改善。因为添加相同含量的Y2O3时,原位生成的添加方式使得Y2O3在AlN中的分布更加均匀,更好的促进了AlN陶瓷的致密,进而提高了力学性能。当烧结温度为1850℃时,以原位生成的添加方式添加2 wt% Y2O3时AlN陶瓷获得了最佳的力学性能,维氏硬度达到15.39 GPa,弯曲强度为383.0 MPa,断裂韧性为3.10 Mpa-m1/2。随着烧结助剂添加量的进一步增加,力学性能开始下降,主要是因为在AlN晶界处存在着大量第二相,而AlN基体／第二相的结合性能差,从而导致了力学性能的降低。 当烧结温度达到1850℃时,以直接添加的方式添加烧结助剂,当添加量为6 wt%时,AlN烧结试样的热导率值高达205 W／m·K。以原位生成的添加方式添加烧结助剂,当添加量相当于4 wt% Y2O3时,烧结试样获得的热导率值也高达165 W/m·K。Y(NO3)3·6H2O中含有的结晶水可能是导致以原位生成的方式添加烧结助剂的AlN陶瓷试样热导率略低的原因。