电子封装用AlN烧结工艺及机理

论文摘要

氮化铝陶瓷导热性能良好,是集成电路基板和电子封装的理想材料。但氮化铝为强共价键结合物,熔点高,自扩散系数小,通常需要热压烧结才能制备出高致密的氮化铝陶瓷。并且氮化铝对氧的亲和力很强,在陶瓷制备过程中容易引入氧杂质,造成导热性下降。本文通过常压烧结氮化铝陶瓷,研究了不同制备工艺和选取不同烧结助试剂对氮化铝陶瓷的的烧结过程的影响。通过分析氮化铝陶瓷制备过程中引入氧杂质的情况,研究了氮化铝粉末热氧化和水解氧化行为,并以此为基础研究了氮化铝陶瓷制备工艺对氮化铝氧化的影响。结果表明：氮化铝热氧化过程在800℃下便可以进行,并且粒径较小的氮化铝粉末更易被氧化。而氮化铝水解氧化过程有一个较长时间的起始阶段,此阶段反应进行较缓慢。在陶瓷烧结过程中,利用碳黑埋粉,可产生碳热还原作用,避免了氮化铝的氧化。通过改变制备工艺,进行了氮化铝陶瓷的低温烧结,研究了不同条件对氮化铝陶瓷致密度的影响。结果表明：在氮化铝陶瓷的低温烧结中,单一添加Y203为烧结助剂可以与氮化铝中的氧杂质反应,净化晶格,但是不能有效促进陶瓷体积收缩与致密度提高,其烧结过程依然依靠扩散实现。提高坯体成型压力可以促进纳米级氮化铝烧结致密化,但此影响伴随烧结温度的提高而逐渐微弱。亚微米级氮化铝原料在低温烧结过程中,表面扩散到体积扩散转变是在1500℃-1550℃之间完成的。而纳米级氮化铝原料扩散转变温度较低,可以在较低温度下提高致密度。以液相烧结机理和相图作为理论基础,研究了烧结助剂对氮化铝高温烧结行为的影响。结果表明：单独添加Y203作烧结助剂促进烧结动力不足,烧结体微观行貌具有缺陷,且陶瓷仍未完全致密。采用CaF2或CaO与Y2O3搭配做复合助剂,在烧结过程中能有效降低最低与Al2O3的共熔温度,较早产生液相,使氮化铝陶瓷完全致密化。选取CaF2与Y2O3搭配使用比CaO更利于氮化铝陶瓷烧结。添加3wt%Y2O3-2wt%CaF2作为复合烧结助剂,在1800℃下烧结的氮化铝陶瓷样品微观结构良好,第二相分布于三角晶界处。烧结体致密度高,密度高达3.35g/cm3。介于氮化铝粉末的易水解特点,利用磷酸对氮化铝粉末进行酸洗处理制备了具有较高抗水解能力的氮化铝粉末。研究了磷酸酸洗预处理对于氮化铝高温烧结过程的影响。结果表明：磷酸酸洗提高了氮化铝粉末的抗水性,优化了粉末的烧结性能,有利于氮化铝陶瓷的制备,在1800℃烧结的氮化铝陶瓷密度为3.223g/cm3。氮化铝粉末经酸洗处理后的烧结产物没有新相生成,实验中也并未发现磷酸酸洗对烧结体微观结构物相有任何不良影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氮化铝的结构性能
• 1.3 氮化铝的应用
• 1.3.1 陶瓷基板与电子封装材料
• 1.3.2 耐热材料
• 1.3.3 薄膜材料
• 1.3.4 复合材料
• 1.4 氮化铝粉末的制备
• 1.4.1 碳热还原法
• 1.4.2 直接氮化法
• 1.4.3 化学气相沉积法
• 1.4.4 自蔓延高温合成法
• 1.4.5 等离子化学合成法
• 1.4.6 溶胶—凝胶法
• 1.4.7 其它方法
• 1.5 氮化铝坯体成型
• 1.5.1 钢模干压成型
• 1.5.2 等静压成型
• 1.5.3 流延成型
• 1.5.4 注射成型
• 1.6 氮化铝陶瓷烧结
• 1.6.1 烧结基理
• 1.6.2 烧结方法
• 1.6.3 影响因素
• 1.7 实验目的与研究内容
• 第2章 研究内容与实验方法
• 2.1 实验流程
• 2.2 实验仪器设备和原料
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 陶瓷制备
• 2.3.2 结果分析
• 第3章 氮化铝氧化变质与陶瓷制备工艺
• 3.1 引言
• 3.2 氮化铝粉末的热氧化
• 3.2.1 氮化铝粉末高温热氧化实验方法
• 3.2.2 热氧化产物XRD分析
• 3.3 氮化铝粉末的水解氧化
• 3.3.1 氮化铝粉末水解实验方法
• 3.3.2 水解过程pH值变化
• 3.3.3 水解产物XRD分析
• 3.4 氮化铝氧化与陶瓷制备工艺
• 3.4.1 陶瓷制备工艺优化实验方法
• 3.4.2 烧结体XRD图谱分析
• 3.5 小结
• 第4章 氮化铝陶瓷的低温烧结
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 烧结体XRD图谱
• 4.3.2 烧结体致密度
• 4.4 讨论
• 4.5 小结
• 第5章 烧结助剂对氮化铝陶瓷高温烧结行为的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 烧结体XRD图谱
• 5.3.2 烧结体断面SEM像
• 5.3.3 烧结体密度测量
• 5.4 讨论
• 5.4.1 共熔液相促进陶瓷烧结
• 5.4.2 第二相分布
• 5.4.3 物质挥发与气孔的形成
• 5.5 小结
• 第6章 氮化铝陶粉末酸洗预处理对瓷高温烧结行为的影响
• 6.1 引言
• 6.2 磷酸酸洗预处理
• 6.2.1 酸洗处理过程
• 6.2.2 酸洗粉末抗水解性能检测
• 6.3 实验方法
• 6.4 实验结果
• 6.4.1 烧结体XR图谱
• 6.4.2 烧结体断面SEM像
• 6.4.3 烧结体密度测量
• 6.5 讨论
• 6.6 小结
• 第7章 总结
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢