含C源AlN陶瓷基片燒結工藝研究

薄睿恬+姜宏偉+黃海亮+付斯年+鄭友進

摘 要：采用石墨發(fā)熱體高溫爐，對流延工藝成型的AlN陶瓷基片進行了幾種燒結溫度、時間的實驗，并與金屬發(fā)熱體常壓高溫燒結爐燒制的AlN陶瓷基片進行了體積密度、硬度、氣孔率、表面形貌和晶體結構的對比。實驗表明，石墨發(fā)熱體高溫條件下形成的C源，對AlN陶瓷基片燒結影響不大；高溫燒結條件下助劑的燒結作用明顯，會提升助劑晶相的含量；可以選擇性引導AlN晶面的生長；保持低溫燒結條件，有利于保持AlN晶相結構。

關健詞：AlN陶瓷基片；常壓燒結；晶相控制；石墨加熱體

1 前言

AlN陶瓷具有優(yōu)良的熱學、力學、電學性能，在半導體、冶金化工、機械、光電子行業(yè)有著廣泛的應用。AlN與其他大多數(shù)氮化物一樣，是高熔點的強共價鍵化合物，在常壓下無熔點，在2450℃時升華分解，難于燒結致密，通常燒結溫度需高于1800℃才能致密燒結[1]；且AlN燒結中固溶的Al203會導致晶格缺陷[2]，降低聲子的平均自由程，使熱導率降低，故需要清除其中的氧雜質(zhì)；燒結中還要避免晶粒的異常長大；因此，探索各種燒結工藝以提高AlN的性能仍是AlN陶瓷研究的重要內(nèi)容。

無壓燒結是陶瓷燒結工藝中最簡單最常見的一種燒結方法，所需設備相對簡單，但可以燒結形狀復雜的制件，所以相對比較經(jīng)濟。無壓燒結也是最常見的AlN粉體燒結方法，一般的燒結溫度在1600 ～ 2000℃左右，適當添加燒結助劑可以提供液相驅動力，使燒結溫度有所下降。由于無壓燒結的簡便低成本，AlN陶瓷的無壓燒結工藝研究工作同樣具有重要意義，也始終受到人們的重視，Liu等[3]以Dy2O3， Li2O和CaO為添加劑進行了無壓燒結AlN陶瓷提升熱導率的研究；秦明禮等[4]利用常壓燒結工藝制備高密度AlN-BN復合陶瓷；何秀蘭等[5]利用真空無壓燒結方法對AlN陶瓷制件進行了熱處理工藝研究；黃得財?shù)萚6]利用常壓燒結工藝制備了AlN陶瓷散熱罩。

本項研究采用一臺美國產(chǎn)石墨發(fā)熱體高溫燒結爐，對流延工藝成型的AlN陶瓷基片進行了不同燒結溫度的燒結實驗，并與金屬發(fā)熱體常壓高溫燒結爐燒制的AlN陶瓷基片進行了對比，以便探索石墨發(fā)熱體燒結AlN陶瓷基片的工藝方法。

2 實驗

AlN陶瓷基片為流延法制備，厚度為0.8 mm。兩種加熱體燒結的AlN陶瓷基片在排膠爐處理工序之前的工藝完全相同，將金屬爐燒結的AlN陶瓷基片樣品做為標準樣品，把石墨爐燒結的不同溫度、時間的樣品與之比較。

石墨燒結爐為美國ANT公司產(chǎn)G48型高溫燒結爐，燒結爐填充Ar氣作為保護氣體。燒結參數(shù)分別為：

樣品a：燒結溫度：1800℃，保溫時間：120 min；

樣品b：燒結溫度：1880℃，保溫時間：480 min；

樣品c：燒結溫度：1950℃，保溫時間：180 min。

采用阿基米德排水法測試制品體積密度和氣孔率。HVS-50型數(shù)顯維氏硬度儀測試硬度。日本理學D/Max-2200 XRD測試晶體結構。日立公司s-4800掃描電鏡測試表面形貌。

3 結果與分析

3.1 AlN樣品的密度和硬度

表1為實驗樣品的體積密度、顯氣孔率和硬度的測試數(shù)據(jù)，測試為十次測量的平均值，結果顯示燒結溫度高的樣品c與金屬發(fā)熱體常壓高溫燒結爐燒制的AlN陶瓷基片的體積密度、顯氣孔率和硬度差別不大，樣品c的體積密度、顯氣孔率和硬度稍小于標準樣品。保溫時間長的樣品b的體積密度和顯氣孔率大于標準樣品，但是硬度比標準樣品小很多。燒結溫度低，保溫時間短的樣品a的體積密度和硬度比標準樣品小，顯氣孔率比標準樣品大。具體數(shù)據(jù)如下表所示：

3.2 AlN基片的掃描電鏡分析

AlN基片的掃描電鏡圖片如圖1所示，掃描電鏡的工作電壓是8 kV。

所測試的形貌均為AlN基片燒結后表面的形貌，沒有進行任何的后續(xù)處理。從標準基片圖1（d）的形貌看，晶粒結合緊密，晶粒大小不一，但大小晶粒分布還是比較均勻；燒結后的表面不夠平整，推斷是熱動力導致晶粒在二維空間發(fā)展受限制后向高度空間發(fā)展的結果；從標準基片的SEM上還可以看到較多的細小晶粒，這些細小晶粒存在于大晶粒形成的晶界處，其致密性并不是很好。

與標準基片d相比，燒結溫度1800℃，保溫2 h的基片a形貌差別很大，從圖1（a）可以看出其燒結溫度或保溫時間還沒有促成晶粒之間的融合，只是相鄰空間的晶粒融合形成幾個微米大小的晶粒團聚體，從SEM圖片上看這些晶粒體沒有完全融合結晶成為一體，只是部分融合，還可以看到各個小晶粒的基本形狀，這些晶粒體之間形成了明顯的空隙。這些情況說明，基片a的燒結只完成了臨近晶粒的聚合，由于動力不足，這些聚合后的變大的晶粒體沒有進一步的運動。

燒結溫度1880℃，保溫8 h的基片b的形貌與標準基片d非常接近，只是晶粒在平面向上的突起更為明顯，晶粒之間的界線也不像標準片d那樣清晰，從SEM圖片比較，由于圖1（b）具有更好的致密性，說明基片b的燒結動力要高于標準基片d。

燒結溫度1950℃，保溫3 h的基片c的形貌平整致密，與標準基片d比較，說明在高燒結溫度下燒結體具有極好的流動性，所以導致表面平整，晶粒間結合緊密。圖1（c）的表面還有明顯的延晶界的裂紋，這些裂紋應該是降溫時晶粒收縮時形成的，這樣大的裂紋對機械強度和傳熱都是不利的。

綜合三個樣品的SEM圖片信息，以圖1（d）做參考標準，可以看出三個樣品分別處于欠溫、較適合和過溫狀態(tài)。基片a的燒結，晶粒處于局部融合狀態(tài)，溫度或時間還不能提供足夠的擴散動力達到相應的致密化程度；而基片c的燒結結果導致晶粒生長過度，出現(xiàn)裂紋；基片b的情況基本接近標準片的形貌。

3.3 AlN基片的X射線衍射分析

采用日本理學的D/Max-2200 XRD分析系統(tǒng)對樣品進行晶體結構分析，CuKα源，波長0.15418 nm，測試為10.00 ～ 80.00°全角范圍，步長0.02°。圖2為四個AlN基片的XRD曲線。endprint

圖2（d）是采用金屬爐作為加熱源燒制的作為標準樣品的AlN基片XRD譜，所顯示的33°、36.2°、37.78°、49.82°、59.35°、66.04°、71.04°七個衍射峰為純AlN所具有的標準圖譜，除這七個AlN衍射峰之外的四個弱衍射峰23.9°、26.82°、29.54°、30.7°則為添加助劑成份的顯示，這里不加以討論。

圖2（a）為燒結溫度1800℃，保溫2 h的基片a的XRD譜，這個圖譜基本與圖2（d）的譜一致。說明在這個溫度下，沒有其他的晶相生成。

圖2（b）為燒結溫度1880℃，保溫8 h的基片b的XRD譜，這個譜與圖2（d）比較，多出了一個29.32°的強衍射峰，這個衍射峰是由于添加助劑成份而產(chǎn)生的。在基片b的XRD譜中，AlN的36.2°衍射峰強度明顯增強，說明（002）晶面有一定程度的生長，這說明29.32°衍射峰的生成過程，誘導了（002）晶面的生長，因為從整個圖2（b）上看只有（002）晶面的衍射強度比發(fā)生了改變。另外，圖2（b）圖譜的總體衍射強度不是很高、部分AlN衍射峰有展寬，從這兩方面分析，基片b的燒結結晶程度劣于作為標準的基片d的燒結結晶程度。

圖2（c）為燒結溫度1950℃，保溫3 h的基片c的XRD譜，這個譜與圖2（d）比較多了30.64°、34.3°兩個強衍射峰，這兩個衍射峰的產(chǎn)生同樣是由于添加的助劑成分在高溫下的燒結行為所導致。其中30.64°衍射峰歸屬于Al2Y4O9，34.3°衍射峰歸屬于YAlO3。同樣（002）晶面的36.2°衍射峰強度比變化也較為明顯。

3.4 綜合分析

綜合測試結果，基片a具有接近標準基片d的晶體結構，但由于燒結溫度較低、時間較短，導致其氣孔率較大、硬度和體積密度都比較低。較長燒結時間的基片b，體積密度指標是最好的，但其氣孔率和硬度沒有同步提高，這說明燒結時間保持上對擴散的影響是局部的、輔助的，總體的燒結強度還達不到要求。基片c的測試結果除了XRD結果之外，其他參數(shù)都達到標準基片d的水平，氣孔率指標還遠優(yōu)于標準基片d，但多出來的晶相成份是不符合預期目標的。

總體來說，石墨發(fā)熱體在高溫條件下沒有明顯生成相應的碳化物和氮化物，可以用于AlN陶瓷基片的燒結。

4 結論

采用石墨發(fā)熱體高溫爐，對流延工藝成型的AlN陶瓷基片進行了幾種燒結溫度、時間的實驗，并與金屬發(fā)熱體常壓高溫燒結爐燒制的AlN陶瓷基片進行了比較，得到如下結論：

（1）石墨發(fā)熱體高溫條件下會形成C源，但實驗表明對AlN陶瓷基片燒結影響不大。

（2）高溫燒結條件下，助劑的燒結作用明顯，會提升助劑相的含量，影響AlN陶瓷基片的純度。

（3）保持低溫燒結條件，有利于保持AlN晶相結構狀況。

（4）可以通過助劑的誘導作用，選擇性引導AlN晶面的生長。

參考文獻

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