学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

AlN陶瓷低温烧结制备与性能研究

作　者: 李保平
导　师: 王介强
学　校: 济南大学
专　业: 材料学
关键词: AlN陶瓷低温烧结烧结助剂碳纳米管
分类号: TQ174
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 311次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着电子信息技术的飞速发展,散热问题严重制约了电子元件向高密度、多功能、高速化和大功率的发展。AlN因具有高热导率、低介电常数、与Si相匹配的线胀系数、绝缘以及机械性能良好、成本低、无毒等优点,作为一种综合性能优越的新型电子陶瓷逐渐成为新一代集成电路封装材料的首选。AlN作为共价化合物,熔点高,自扩散系数小,通常都是通过高温烧结制备,高成本限制了AlN作为封装基板的应用。本文主要以纳米AlN粉体为原料,通过选取不同的烧结助剂和添加剂,合理控制烧结工艺,在1600℃低温常压烧结制备了致密的AlN陶瓷。本文研究了AlN陶瓷烧结过程的氧化现象,进行了空气氧化实验、气氛实验、埋粉实验和温度实验等研究。研究发现,AlN在空气中600℃以下无氧化现象,800℃左右开始先变为无定形状态,1200℃时完全氧化成Al2O3相;在流动工业N2气氛下,使用AlN+4wt%无定形碳混合埋粉时,无氧化现象发生,在烧结过程中产生碳热还原气氛,有效地抑制了氮化铝陶瓷烧结过程的氧化问题,避免了使用高纯N2的高成本和使用一氧化碳或氢气作还原气氛的危险性。本文通过热力学分析和相图分析,确定了使用不同烧结助剂的实验方案。实验结果表明:添加Y2O3、CaF2等单一烧结助剂无法在1600℃获得致密的AlN陶瓷,在添加3wt%Y2O3-2wt%CaF2做烧结助剂时,1600℃保温4h制备了接近理论密度的AlN陶瓷,相对密度分别达到99.4%,保温时间过短或过长都不利于AlN陶瓷的致密化,XRD分析表明主晶相为AlN相,晶界相为烧结助剂与Al2O3反应生成的化合物,断面SEM照片显示晶粒发育完善,气孔极少。制得AlN陶瓷的热导率为83.62W/m·K,维氏硬度为13.8GP,同时具有较低的相对介电常数和介电损耗。本文探索了碳纳米管作为添加剂对AlN陶瓷烧结过程的影响,分别探讨了多壁碳纳米管添加量对AlN陶瓷的相对密度、物相、断面形貌、介电性能和热导率的影响。实验结果表明:添加多壁碳纳米管的AlN在1550℃以下烧结时有利于致密化,但随着添加量的增多效果反而减弱,以1wt%的添加量为最佳。碳纳米管的加入可以净化晶格,并不影响AlN的主晶相;随着碳纳米管含量的增加,AlN陶瓷的相对介电常数减小,电阻率下降;在添加1wt%碳纳米管的基础上,加入3wt%Y2O3-2wt%CaF2做烧结助剂制备了较致密的AlN陶瓷,热导率为90.57W/m·K,硬度为12.4 GPa,具有较低的相对介电常数和介电损耗。介电性能和热导率测试表明C仍然存在AlN陶瓷内,尚无法证明碳纳米管形态的存在。本文通过不同烧结助剂、添加剂的选取和烧结工艺的优化,在1600℃左右的低温制备了高热导率的AlN陶瓷,大大降低了烧结温度,为工业化生产AlN基板提供了极大的参考价值。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-27
  1.1 引言  11
  1.2 AlN 陶瓷的基本特性  11-12
  1.3 AlN 陶瓷的导热机理及影响因素  12-15
    1.3.1 AlN 陶瓷的导热机理  12-13
    1.3.2 AlN 陶瓷热导率的影响因素  13-15
  1.4 AlN 陶瓷的应用  15-18
    1.4.1 基板材料和电子封装材料  15-17
    1.4.2 耐热冲和热交换材料  17
    1.4.3 耐热材料  17
    1.4.4 复合材料中的应用  17
    1.4.5 其他应用  17-18
  1.5 AlN 陶瓷制备的研究现状  18-25
    1.5.1 AlN 粉体的制备  18
    1.5.2 AlN 坯体的成型工艺  18-20
    1.5.3 AlN 陶瓷的烧结工艺  20-22
    1.5.4 烧结助剂的研究现状  22-25
  1.6 AlN 陶瓷研究中存在的问题  25-27
    1.6.1 AlN 烧结过程的氧化现象  25
    1.6.2 AlN 氮化铝的低温烧结  25-27
第二章实验过程及性能表征  27-34
  2.1 实验原料及设备  27-28
    2.1.1 实验原料  27
    2.1.2 实验仪器  27-28
  2.2 实验目的、内容及方案  28-29
    2.2.1 实验目的  28
    2.2.2 实验内容  28
    2.2.3 实验方案  28-29
  2.3 AlN 陶瓷的制备  29-30
  2.4 结果表征  30-34
    2.4.1 相对密度测试  30-31
    2.4.2 显微硬度测试  31
    2.4.3 X 射线衍射分析  31
    2.4.4 断面形貌分析  31-32
    2.4.5 介电性能分析  32
    2.4.6 热导率测试  32-34
第三章烧结气氛对 AlN 陶瓷制备的影响  34-41
  3.1 引言  34
  3.2 AlN 陶瓷制备过程中的氧化机理  34-35
  3.3 烧结气氛控制  35-36
    3.3.1 AlN 陶瓷在制备过程中氧化的影响因素  35-36
    3.3.2 实验方案的确定  36
  3.4 结果分析  36-40
    3.4.1 在空气气氛下的烧结实验  36-37
    3.4.2 不同气氛条件下烧结产物的XRD 分析  37
    3.4.3 不同埋粉条件下烧结产物的XRD 分析  37-39
    3.4.4 不同温度下制得AlN 陶瓷的XRD 分析  39-40
    3.4.5 N_2 纯度对AlN 陶瓷烧结过程氧化现象的影响  40
  3.5 本章小结  40-41
第四章 AlN 陶瓷的低温烧结制备  41-59
  4.1 引言  41
  4.2 烧结助剂的选择  41-45
    4.2.1 烧结助剂选择的基本原则与方法  41-42
    4.2.2 热力学分析  42-43
    4.2.3 相图分析  43-44
    4.2.4 烧结助剂的确定  44-45
  4.3 AlN 陶瓷烧结工艺的确定  45-49
    4.3.1 烧结助剂对AlN 陶瓷致密性的影响  45-46
    4.3.2 烧结温度对AlN 陶瓷致密性的影响  46-47
    4.3.3 保温时间对AlN 陶瓷致密性的影响  47-48
    4.3.4 AlN 粉体粒度对陶瓷致密性的影响  48-49
  4.4 烧结体的物相分析  49-51
  4.5 烧结体的断面形貌分析  51-54
  4.6 烧结体的介电性能分析  54-57
  4.7 烧结体的热导率分析  57
  4.8 烧结体的硬度分析  57-58
  4.9 本章小结  58-59
第五章添加碳纳米管对 AlN 陶瓷的影响  59-68
  5.1 关于碳纳米管  59-61
    5.1.1 什么是碳纳米管  59
    5.1.2 碳纳米管的独特性质  59-60
    5.1.3 碳纳米管在陶瓷领域的应用  60-61
  5.2 实验方案  61-62
  5.3 结果分析  62-67
    5.3.1 相对密度分析  62-63
    5.3.2 物相分析  63-64
    5.3.3 断面形貌分析  64-65
    5.3.4 介电性能分析  65-66
    5.3.5 热导率分析  66-67
    5.3.6 硬度分析  67
  5.4 本章小结  67-68
第六章结论与创新点  68-69
  6.1 主要结论  68
  6.2 主要创新点  68-69
参考文献  69-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间发表的学术论文  77

AlN陶瓷低温烧结制备与性能研究

内容摘要

全文目录

相似论文