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ALN陶瓷的电性能研究

向常虎  
【摘要】:氮化铝(AlN)陶瓷具有良好的综合性能,如热导率高、绝缘性能好、介电常数和介电损耗低,与硅相匹配的的线膨胀系数以及室温高温机械性能良好、无毒等,是大规模集成电路基板和和大功率器件封装的理想材料,并可用作光功能材料,高温结构材料和以及多种复合材料。 AlN作为一种强共价键化合物,熔点很高,自扩散系数小,很难烧结致密化,而致密度不高的陶瓷不能保证良好的性能,在很大程度上限制了AlN的应用。放电等离子烧结技术(SPS)是一种有着其独特技术优势的新型烧结方法,其成型致密化温度低,烧结时间短,在促进AlN的致密化烧结和提高生产效率降低成本方面具有极大的应用空间。 本文利用SPS方法对纯AlN粉体、添加烧结助剂(Y_2O_3、Er_2O_3或Sm_2O_3)的AlN粉体、添加烧结助剂(Y_2O_3)和电性能调节剂(MoSi_2和TiN)的AlN粉体以及Sm_2O_3(或Er_2O_3)-TiN-AlN粉体经行烧结试验。重点分析了AlN陶瓷的SPS烧结致密化过程和机理,并研究了AlN陶瓷的致密度,电性能与陶瓷结构的关系。 本文在1700℃下保温10min制备的纯AlN陶瓷相对密度为93.7%,微观形貌和位移曲线分析表明烧结过程没有明显的晶粒长大现象并且可以推断此温度下延长保温时间不能显著促进陶瓷进一步致密化。 本文制备的添加三种不同烧结助剂(Y_2O_3、Er_2O_3或Sm_2O_3)的AlN陶瓷致密度均接近100%的完全致密,且致密化过程仅需要约4min。物相分析和微区形貌分析表明烧结助剂在较低温度与AlN颗粒表面的杂质Al_2O_3发生固相反应生成了稀土铝酸盐化合物。但是其电性能却有一定的差异。添加Sm_2O_3的AlN陶瓷电阻率要相比添加Er_2O_3和Y_2O_3的低两个多数量级,但随着导电相TiN添加含量的增加,三种陶瓷的电阻率趋于一致。 对以Y_2O_3为烧结助剂,MoSi_2或者TiN作为电性能调节剂的复合陶瓷致密度、电性能和结构进行分析比较显示,两种陶瓷电阻率都随着导电相添加量的增加而降低,但以TiN作为电性能调节剂的复合陶瓷导电性能要好于相应以MoSi_2的,并且当添加含量都为35wt%时,AlN/TiN复合陶瓷电阻率出现渗流突降,而AlN/MoSi_2复合陶瓷整体依然呈现绝缘高阻状态。 对氮气气氛和真空气氛分别制备的以Y_2O_3为烧结助剂的AlN/MoSi_2复合陶瓷的致密度和电性能进行分析比较,真空烧结的陶瓷致密度比氮气气氛烧结的陶瓷略小且两种陶瓷都接近于完全致密,真空烧结的陶瓷电阻率要比氮气气氛制备的低两多个数量级。 本文中AlN陶瓷的SPS烧结过程分析,以及烧结助剂种类,电性能调节剂种类与含量以及烧结气氛对AlN陶瓷的致密度和电性能的影响,可为高性能氮化铝陶瓷的制备提供的参考价值。


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