毫米波- hip复合烧结制备高导热AIN陶瓷

岸本明，山下阔平，大瑚淳介，林英高

发表于2011年热等静压国际会议，日本神户，2011年4月12-14日
提交日期:2011年4月12日，录用日期:2011年5月24日

主题

摘要
关键字
介绍
方法和材料欧洲杯足球竞彩
结果和讨论
经过毫米波辐照加热
热处理后对密度和热导率的影响
结论
确认
参考文献
详细联系方式

摘要

为了提高氧化钇分散AlN陶瓷的热导率，在氮气气氛下进行短时间低温处理，将毫米波(MMW)加热与后hip处理相结合。在相同的温度下，在1600ºC以上对先前的毫米波加热样品进行HIP处理后，相对密度增加。在1700ºC +1800ºC处理0.5 h +0.5 h的情况下，采用毫米波- hip复合烧结，热导率超过170W/mK。相对密度在第一个毫米波加热超过1700ºC时已饱和。热导率随热处理温度的增加而增加，在第一毫米波和后热导率均有所增加。在这个实验条件下，热导率没有明显的压力依赖性。

关键字

HIP，毫米波，AlN，导热系数

介绍

随着高集成度大规模集成电路的发展，对高导热、高绝缘、高机械强度的衬底材料提出了更高的要求。欧洲杯足球竞彩其中氮化铝(AlN)是最有前途的衬底之一，因为它的理论导热系数高达320 W/mK和其他电学和热性能优良。随后，除了用于高集成电路的衬底外，发光二极管中的散热材料、用于生产半导体的反应容器也备受关注[1-4]。

铝氮化铝的化学键为共价键，烧结困难或需要高温、长时间和特殊的大气气体。为了获得超过200w /mK的热导率，或理想散热片衬底的标准值，需要在1800ºC烧结2小时，然后在1850ºC退火100 h[5]。据估计，毫米波辐照加热是一种很有前途的低温快速烧结陶瓷的方法[6-9]。毫米波(30 GHz-300 GHz)包括亚毫米波(20 GHz-30 GHz)被各种陶瓷吸收，导致自热。有报道称，与常规烧结相比，使用这种加热方法可以在较低的温度和较短的保温时间下使几种陶瓷致密化[10,11]。我们已经报道了AlN陶瓷与5%的Y分散₂O_3.通过毫米波辐照，在含3体积%氢的氮气气氛中1800℃加热2 h，可使陶瓷致密化，所得陶瓷的热导率高达170 W/mK[12]。这样的加工条件、时间和温度仍然是严峻的，氢气的引入将阻碍正常生产。

另一方面，热等静压(Hot Isostatic Pressing, HIP)是另一种烧结方法，由于在热处理过程中采用了静压，所以期望短时间低温致密化。为了使粉末压实体致密化，需要用具有高熔点的材料进行胶囊包裹，这也不方便制作形状复杂的陶瓷。欧洲杯足球竞彩

据报道，HIP处理对预烧结陶瓷的有效性超过理论密度的92%，这被称为自胶囊材料的无胶囊HIP处理[13,14]。欧洲杯足球竞彩在本研究中，我们试图通过结合毫米波加热和HIP处理来改善AlN陶瓷的性能。无论是毫米波加热还是无胶囊HIP处理都不使用固态压媒，因此容易制备复杂形状的陶瓷。

方法和材料欧洲杯足球竞彩

以AlN粉为原料(Toy欧洲杯足球竞彩o aluminum Co.， JC，中晶粒尺寸;0.8µm)和Y₂O_3.Shin-etsu chemical Co.， UU-HP，中位粒度;25µm)。两种起始粉均为Y的重量₂O_3.内容物占总重量的3、5、或10 wt%。以丙酮为介质，在行星球磨机中混合2.5 h。将约1.6 g的混合粉末在20f钢模具中，在25 MPa下单轴压10min，然后在130 MPa下冷等静压5min。

因此，制备的粉末压实体在1600、1700或1800ºC的氮气气氛中使用毫米波辐照设备(24ghz陀螺管发生器系统，MSP Ltd，大阪，日本)热处理0.5小时或2小时。2020欧洲杯下注官网在毫米波辐照加热过程中，按照前面报道的保温设置，将热电偶插入堆成四倍的第一和第二样品之间，以减少温度监测误差。温度以20ºC/min的速度升高至1500ºC，然后升高10ºC至预定温度。保温后，以25ºC的速度降至500ºC，然后炉冷却。

髋关节后治疗由HIP博士(神户制钢株式会社，日本神户)进行。处理温度为1600 ~ 1800℃，压力为190 MPa，保温时间为0.5 h。处理温度升高10ºC /min。在温度达到500℃时施加气体压力。

视密度是用阿基米德法测量的。采用激光闪光法(LFA 447 Nanoflash, Netzsch, Selb, Germany)对超声切割机切割至f6盘的样品进行了热导率测量。为了确认形成的晶相，RINT2000 (Rigaku Co. Ltd, Tokyo, Japan)利用CuKa辐射进行了x射线粉末衍射。采用SEM (S-4300, Hitachi Co. Ltd, Tokyo, Japan)对断口表面进行微观结构观察。

图1所示。采用毫米波加热的氧化钇AlN陶瓷的相对密度(上)和热导率(下)。氧化钇之外;3、5和10 wt%。加热温度1600,1700和1800ºC 0.5 h[21]。

图2。相对密度(上)和热导率(下)yttrialn陶瓷，结合毫米波加热和后hip在1800ºC下在氮压力190 MPa下0.5 h。

图3。各试样的断口形貌的SEM照片₂O_3.加入AlN陶瓷，结合毫米波加热1600ºC 0.5 h和后髋关节在1800ºC 0.5 h，氮气压力190 MPa。氧化钇之外;3(上)，5(中)和10(下)wt %。

结果和讨论

经过毫米波辐照加热

在图1(上)中，与理论密度的相对密度是在以3,5，或10 wt% Y分散的AlN上显示的₂O_3.在1600、1700或1800ºC的毫米波照射下进行热处理。使用毫米波加热，任何样品的相对密度均可达到85%以上，而与Y无关₂O_3.内容。这些结果与先前报道的结果一致。在1600℃热处理的样品中，相对密度随Y的增加而增加₂O_3.添加量，表明烧结温度随添加量的增加而降低。这可能是由于添加的Y形成了液相₂O_3.促进颗粒重排[15-18]。

作为参考，样品用3 wt%的Y分散₂O_3.使用常规氮气炉或氮气压力为190 MPa的胶囊- hip在1600ºC下加热0.5 h。相对密度均在70%左右，分别为70.2%和70.7%，低于毫米波烧结的相对密度。这些结果表明，毫米波辐照加热时间短、烧结温度低是AlN陶瓷的优势。

图1(下)是用不同Y分散的样品的导热系数₂O_3.经毫米波辐照1600 ~ 1800ºC加热后。热导率随加热温度的升高而增大。例如，在1800ºC下热处理，无论Y如何，都能得到导热系数超过160 W/ mK的良好的高导热材料欧洲杯足球竞彩₂O_3.色散量。这种热导率的温度依赖性是由于热处理温度越高，致密化程度越高。

另一方面，导热系数随Y的增大而减小₂O_3.样品密度随添加量的增加而增加。一般来说，热导率受晶格缺陷的影响，如空位、取代原子、位错和孔隙[15,17]。在这个例子中，Y是分散的₂O_3.被认为对晶格缺陷的形成起作用。已有报道称，分散的氧化物溶解到AlN中形成铝空位，并用氧化物取代氮。这些缺陷结合形成层状缺陷，充当声子散射位点，降低了热导率。

热处理后对密度和热导率的影响

将毫米波辐照烧结后的样品在1600 ~ 1800℃、氮气压力50 ~ 190 MPa、保温时间0.5 h的条件下进行髋关节后处理。图2(上)和(下)以毫米波烧结后1800ºC、190 MPa氮气压力下热处理0.5 h的样品的相对密度和导热系数为例。

经过后热等静压处理后，即使是在1600℃下进行毫米波烧结，其密度也有了很大的提高。由于在与毫米波烧结相同的烧结温度下，hip后处理进一步提高了密度，因此高达190 MPa的气体压力有效地提高了密度。这是由于高压排除了气孔和裂纹状缺陷，并促进了烧结。相对密度随Y增加而增加₂O_3.在1600ºC毫米波烧结后，在1800ºC、190 MPa下进行髋关节后处理。这也可以归因于加入Y的反应所形成的液相₂O_3.和艾尔₂O_3.存在于AlN晶粒[18]上。

对比热处理前后的热导率，热导率随密度的提高而提高。但密度和热导率对添加量的依赖性不同。在1600℃毫米波烧结0.5 h的样品中，热导率随添加量的增加而降低，而密度随添加量的增加而增加。

据报道，在AlN陶瓷中，高温烧结可以清除晶粒中的杂质氧，使其在晶界偏析，提高热导率[19,20]。在低温烧结的情况下，这种清除作用不足以在晶粒中保留大量的氧，从而降低了热导率。断口形貌SEM照片如图3所示。随着添加量的增加，晶界变得光滑，表明液相[21]的形成。

作为参考，在1700ºC、190 MPa的气体压力下，对3 wt%的Y进行相同的髋关节后处理0.5 h₂O_3.加入AlN，在1600ºC的氮气气氛下烧结0.5小时，用常规炉。热处理后，热导率保持在93.1 W/mK，相对密度由70.2%增加到94.3%[21]。相同成分和工艺参数(温度和时间)下，毫米波posthip处理后的样品的导热系数为138 W/mK，表明毫米波辐照加热在改善导热性能等方面具有优越性。

结论

为了提高氧化钇分散AlN陶瓷的热导率，在氮气气氛下进行短时间低温处理，将毫米波(MMW)加热与后hip处理相结合。在相同的温度下，在1600ºC以上对先前的毫米波加热样品进行HIP处理后，相对密度增加。在1700ºC +1800ºC处理0.5 h +0.5 h的情况下，采用毫米波- hip联合烧结处理的导热系数超过170 W/mK。这一数值是在3 wt%的氢混合氮气氛下，1800ºC下仅采用毫米波处理2 h即可达到的。

相对密度在第一个毫米波加热超过1700ºC时已饱和。热导率随热处理温度的增加而增加，在第一毫米波和后热导率均有所增加。

确认

这项工作得到了日本科学促进协会(JSPS)资助的优先领域科学研究资助(21017005)的部分支持。欧洲杯线上买球

参考文献

1.陈志刚，“高导热性非金属晶体”，《物理化学学报》，34(2003)，321-335。
2.谢柏德，“氮化铝:一种多功能但具有挑战性的材料”，硅酸盐学报，69(1990)1801-1803。
3.魏德克和阿尔丁格，“氮化铝在微电路中高粉末应用的替代陶瓷基板”，ieee Trans Compon，混合，Manuf Technol, CHMT, 7[4](1984) 499 -404。
4.王志强，王志强，“高导热氮化铝衬底材料的制备”，无机材料学报，vol . 32, no . 1, no . 2(1986)。
5.黄宏杰，王志强，王志强，“ylio2掺杂AlN陶瓷的低温烧结和高导热性能”，硅酸盐学报，1999,15(1):1 - 7。
6.杨志强，杨志强，杨志强，等，“纳米结构氧化钛的制备与应用”，纳米结构材料，12(1999)115-118。欧洲杯足球竞彩
7.林毅宁，李文昌，吴明伟，“微波烧结技术对半导体电子陶瓷性能的影响”，硅酸盐学报，21(2001)2085-2088。
8.谢长勇，林春楠，郑杰，“SHS法制备AlN粉体的微波烧结”，硅酸盐学报，24(2004)3337-3343。
9.徐光国，刘志强，刘志强，“高导热AlN的微波烧结”，材料科学与工程，vol . 18, no . 4(2002)。
10.陈志强，“氮化铝的低温烧结与毫米波加热”，硅酸盐学报，38(2003)101-106。
11.田志刚，“氮化铝的低温烧结与毫米波加热”，硅酸盐学报，(2003)40 - 46。
12.陈志强，“基于毫米波烧结技术的铝基陶瓷材料的研究”，清华大学学报(自然科学版)。(2015)中国科学院院刊。
13.陈志强，陈志强，陈志强，等。热等静压法制备透明氧化镁陶瓷的研究进展[J]。欧元。陶瓷。Soc。[4-5](2006) 639-645。
14.陈志刚，“镁质陶瓷热等静压过程中晶粒的异常生长”，硅酸盐学报。板牙。， 57(2007) 321-327。
15.刘建伟，刘建伟，李世勇，“多晶氮化铝热导率的微观结构效应”，无机陶瓷学报，2001,21(4):593 - 598。
16.王志强，“氧化钇对氮化铝热导率的影响”，无机陶瓷学报，2003,23(4):441 - 446。
17.Yu Y. D.， Hundere A. M.， Hoier R.， Dunin-Borkowski R. F. and Einarsrud M. A.， " structural characterization and Microstructural effects on thermal conductivity of AlN(Y .， Y.₂O_3.硅酸盐学报，22(2002)247-252。
18.乔林，周虹，薛辉，王胜₂O_3.AlN陶瓷的低温烧结及导热性能研究”，硅酸盐学报，23(2003)1761-1768。
19.陈志伟，“颗粒压实工艺对AlN陶瓷结构、断裂强度和热导率的影响”，粉末技术，15(2005)9155-9160。
20.杜晓霞，邱敏，屈晓霞，“稀土氧化物烧结助剂对AlN陶瓷性能的影响”，硅酸盐学报，(2007)46 - 51。
21.陈志强，“毫米波- HIP复合烧结AlN陶瓷及其热导率的研究”，硅酸盐学报。Soc。粉末与粉末冶金，印刷中。

详细联系方式

岸本明，山下阔平，大瑚淳介，林英高
冈山大学自然科学与技术研究生院化学与生物化学系欧洲杯线上买球
日本冈山县北区对岛中3-1-1

电子邮件:(电子邮件保护)

论文发表在《材料与材料加工技术进展》，13[1](2011)14-18。欧洲杯足球竞彩