堇青石/氮化鋁陶瓷的組成、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

徐志剛，夏熠

（河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

1 引言

高度集成的現(xiàn)代微電子技術(shù)對(duì)電子封裝用陶瓷基片的性能要求愈加嚴(yán)苛，要求其能夠支撐、保護(hù)電子器件，具有良好的散熱、信號(hào)傳遞能力。這要求基片質(zhì)輕、高強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)，以及良好的高頻特性[1,2]。陶瓷基片具有的高強(qiáng)和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，較小的熱膨脹系數(shù)和體積密度，使其獲得廣泛應(yīng)用[3]。例如，Al2O3基片的價(jià)格低，制備工藝簡(jiǎn)單，力學(xué)性能良好，應(yīng)用最為廣泛。但其熱膨脹系數(shù)(~8×10-6/K)高，熱導(dǎo)率低，無法大量應(yīng)用于大功率集成電路中。BeO 陶瓷的熱導(dǎo)率高，適合應(yīng)用于大功率集成電路，但其有毒，且生產(chǎn)成本高。SiC 的介電常數(shù)高，不適于高頻應(yīng)用。某些陶瓷材料如氮化鋁(AlN)，它的熱導(dǎo)率較高，甚至接近金屬材料。AlN 也具有高熱導(dǎo)率(100~250W/m·K，接近BeO 和SiC，是Al2O3的5倍以上)、良好的介電性能、低的熱膨脹系數(shù)(4.5～5.2×10-6/K)和優(yōu)異的力學(xué)性能，是一種優(yōu)秀的電子封裝材料，能夠完美替代BeO 陶瓷[3,4]。不足之處在于純AlN 的制備工藝復(fù)雜，燒結(jié)溫度高且難以致密化。

堇青石陶瓷是一種MgO-Al2O3-SiO2三元系材料，具有低密度(~2.6 g/cm3）、低的熱膨脹系數(shù)(0.5～2.8×10-6/K)以及較高的熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，是一種非常有潛力的電子封裝材料[5-7]。鑒于氮化鋁和堇青石的性能特點(diǎn)，通過在堇青石預(yù)合成粉中添加金屬鋁粉，通過氮化燒結(jié)，可望獲得堇青石/氮化鋁復(fù)相材料，使其能夠作為電子封裝陶瓷應(yīng)用。本研究側(cè)重分析其組成、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化，并探討其原因和影響因素。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)以氧化鋁（Al2O3≥99%）、滑石和高嶺土等粉體配制堇青石預(yù)合成粉，所用原料的化學(xué)組成見表1。……