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Oggi è indubbiamente l'era della tecnologia dell'informazione in arrivo. Il rapido sviluppo dell'industria microelettronica ha reso la ceramica al nitruro di alluminio un successo immediato nella produzione di circuiti integrati su larga scala. E stanno attirando l'attenzione come substrati ceramici e materiali di imballaggio altamente termoconduttivi.
La conduttività termica di AlN è attualmente la ceramica Al2O3 più utilizzata fino a sette volte, mentre la bassa costante dielettrica, con l'allumina rivaleggia con le eccellenti proprietà elettriche, alta resistenza, bassa densità e non tossica. Ma ci sono guadagni e perdite, l'attuale substrato di nitruro di alluminio si trova ad affrontare un dilemma più ampio, che è il costo che in una certa misura influisce sulla promozione della sua applicazione.
Quindi da dove vengono questi costi? Come accennato, AlN ha un'eccezionale conducibilità termica, ma a causa di impurità e difetti nella ceramica, la conduttività termica del prodotto è lontana dal valore teorico.
Pertanto, per avvicinarsi il più possibile alla conducibilità termica teorica ed evidenziare i vantaggi dell'AlN stesso, i produttori devono prestare attenzione nella preparazione per evitare evidenti carenze prestazionali. Ogni processo di eccellenza, in modo che arrivi il costo elevato.
Preparazione della polvere di AlN
Come materia prima per la preparazione dei prodotti ceramici finali, la purezza, la dimensione delle particelle, il contenuto di ossigeno e altre impurità hanno un impatto importante sulla conduttività termica, sulla sinterizzazione e sul processo di formatura. E sono la pietra angolare dell'eccellente performance dei prodotti finali.
Esistono diversi metodi di sintesi delle polveri AlN come segue:
① Metodo di nitrurazione diretta: nell'atmosfera di azoto ad alta temperatura, la polvere di alluminio viene combinata chimicamente direttamente con l'azoto per produrre polvere di nitruro di alluminio e la temperatura di reazione è generalmente compresa tra 800 ℃ ~ 1200 ℃.
② Metodo di riduzione termica del carbonio: la miscela di polvere di Al2O3 e polvere di carbonio ad alta temperatura (1400 ℃ ~ 1800 ℃) nel flusso della reazione di nitrurazione di riduzione del gas azoto per produrre polvere di AlN.
③ Metodo di sintesi ad alta temperatura di autopropagazione: è la nitrurazione diretta della polvere di alluminio, sfruttando appieno le caratteristiche della nitrurazione diretta della polvere di alluminio come forte reazione esotermica, quindi la polvere di alluminio nel punto di azoto, l'uso di elevato calore di reazione chimica tra alluminio e azoto per mantenere la reazione da sola, la sintesi di AlN.
④ Metodo di deposizione chimica da vapore: l'uso di composti volatili di alluminio e reazione gassosa di azoto o ammoniaca, precipitazione dalla fase gassosa della polvere di nitruro di alluminio. Secondo la scelta della fonte di alluminio, suddivisa in metodo di deposizione di vapore chimico inorganico e organico.
Metodo | Vantaggio | Svantaggio |
Metodo di nitrurazione diretta | Forte reazione esotermica, facile autosinterizzazione, processo semplice, adatto alla produzione di massa | Controllato dalla diffusione gas-solido, richiede temperature elevate e lunghi tempi di reazione, scarsa stabilità di qualità e prodotti difficili da sintetizzare di elevata purezza e grana fine. |
Metodo di riduzione termica del carbonio | Polvere sintetica con elevata purezza, prestazioni stabili, dimensioni della polvere fini e uniformi, preparazione di polvere di alta qualità | Sensibile alle condizioni di processo, alta temperatura di reazione, lunghi tempi di sintesi, necessità di decarburazione secondaria, costo elevato |
Metodo di deposizione chimica da vapore | Processo affidabile, facile da realizzare la continuità del processo, ottenere polvere su scala nanometrica di elevata purezza | Bassa efficienza produttiva |
Metodo di sintesi ad alta temperatura autopropagante | Alta velocità di reazione, breve tempo di sintesi, processo semplice, basso costo, alta efficienza produttiva e alta attività della polvere prodotta | Il processo di reazione è difficile da controllare, rendendo difficile la preparazione di polvere di alta qualità |
Metodo di cracking del sale organico | Produzione continua, elevata purezza della polvere preparata, ultrafine | Alto costo delle materie prime |
Metodo di sintesi chimica del plasma | Piccole dimensioni delle particelle, elevata attività e buone prestazioni di processo della polvere preparata | Purezza inferiore, attrezzature complesse |
Ovviamente, il processo richiesto per l'elevata purezza, la granulometria fine e la distribuzione granulometrica stretta della polvere di AlN è costoso, oppure il processo di preparazione è complicato, l'efficienza produttiva è bassa o l'attrezzatura richiede condizioni elevate e la conseguenza di questa serie di difficoltà è il prezzo elevato della polvere di nitruro di alluminio di qualità.
Formazione di AlN
Esistono vari processi di stampaggio per la polvere AlN e sono applicabili processi di stampaggio tradizionali come stampaggio, pressatura a caldo e pressatura isostatica. Tra questi, la pressatura a caldo e la pressatura isostatica sono adatte per la preparazione di materiali ceramici sfusi in nitruro di alluminio ad alte prestazioni, ma l'alto costo e la bassa efficienza produttiva non possono soddisfare la crescente domanda di substrato ceramico in nitruro di alluminio nell'industria elettronica. Per risolvere questo problema, recentemente le persone usano il metodo della fusione a flusso per formare nitruro di alluminiosubstrati ceramici. Il metodo di fusione è diventato anche il principale processo di stampaggio per le ceramiche al nitruro di alluminio nell'industria elettronica.
Inoltre, a causa della forte idrofilia della polvere di AlN, per ridurre l'ossidazione, il contatto con l'acqua dovrebbe essere evitato il più possibile durante il processo di stampaggio, il che significa che i grezzi ceramici al nitruro di alluminio devono essere preparati utilizzando un impasto organico. Ma poiché il solvente organico utilizzato ha una forte volatilità, causerà effetti negativi sull'ambiente e sul corpo umano. O migliorare la resistenza superficiale all'idrolisi della polvere di AlN, come la formazione di involucri di rivestimento sulla superficie di AlN con l'aiuto di sostanze organiche idrofobe e idrofile, o il trattamento termico in una certa atmosfera di pressione particellare di ossigeno per formare uno strato denso di ossido di alluminio su la sua superficie, ecc.
Sinterizzazione di AlN
Il processo di sinterizzazione del nitruro di alluminio è relativamente duro, la temperatura di sinterizzazione della sinterizzazione o della pressatura a caldo è spesso fino a 1800 ℃ o più, sia per ottenere una sinterizzazione densa, ridurre il contenuto di impurità e la fase di confine del grano, ma anche per semplificare il processo, ridurre i costi, nel processo di sinterizzazione della ceramica AlN chiave da fare: in primo luogo, scegliere il processo di sinterizzazione e l'atmosfera appropriati. In secondo luogo, scegli gli additivi di sinterizzazione appropriati.
1. Processo di sinterizzazione
Il processo di sinterizzazione dei substrati AlN è molto difficile a causa del suo piccolo coefficiente di autodiffusione.
① Sinterizzazione a pressione calda: la sinterizzazione della ceramica sotto una certa pressione può effettuare contemporaneamente la sinterizzazione del riscaldamento e la formatura pressurizzata, in modo da ottenere grani fini, alta densità relativa e buone proprietà meccaniche della ceramica.
② Nessuna sinterizzazione a pressione: il processo di sinterizzazione è semplice, intervallo di temperatura generale della ceramica al nitruro di alluminio di sinterizzazione a pressione atmosferica di 1600-2000 ℃. L'aumento appropriato della temperatura di sinterizzazione e l'estensione del tempo di mantenimento possono migliorare la densità della ceramica al nitruro di alluminio, ma la resistenza è relativamente bassa.
③ Sinterizzazione a microonde: anche la sinterizzazione a microonde è un metodo di sinterizzazione veloce, che utilizza l'interazione tra le microonde e il mezzo per produrre perdita dielettrica e il riscaldamento complessivo del metodo di sinterizzazione del bianco.
④ Sinterizzazione al plasma a scarica: incorporazione di attivazione al plasma, pressatura a caldo, riscaldamento a resistenza e altre tecnologie. Ha le caratteristiche di velocità di sinterizzazione rapida e granulometria uniforme, ma il costo dell'attrezzatura è elevato e la dimensione del pezzo lavorato è limitata.
⑤Sinterizzazione auto-propagazione: le ceramiche AlN dense vengono preparate direttamente mediante reazione di sintesi ad alta temperatura di auto-propagazione sotto azoto gassoso ad altissima pressione. Tuttavia, è difficile ottenere ceramiche AlN dense a causa della reazione di combustione ad alta temperatura in cui l'Al nella materia prima si scioglie facilmente e impedisce all'azoto di penetrare nel pezzo grezzo.
Tra i suddetti cinque processi di sinterizzazione, la sinterizzazione per pressatura a caldo è il processo principale per la preparazione di ceramiche AlN densificate ad alta conducibilità termica. Tuttavia, si tratta di un processo più complesso con elevati requisiti di attrezzature e bassa efficienza di produzione, quindi il costo aumenta naturalmente.
2. Atmosfera di sinterizzazione
Attualmente esistono tre atmosfere di sinterizzazione per le ceramiche AlN: atmosfera neutra, atmosfera riducente e atmosfera debolmente riducente. L'atmosfera neutra usa l'N2 comunemente usato, l'atmosfera riducente usa CO e l'atmosfera debole riducente usa H2.
Nell'atmosfera riducente, il tempo di sinterizzazione e il tempo di mantenimento della ceramica AlN non dovrebbero essere troppo lunghi e la temperatura di sinterizzazione non dovrebbe essere troppo alta per evitare la riduzione di AlN. In atmosfera neutra, la situazione di cui sopra non si verifica, quindi generalmente si sceglie di sinterizzare in azoto, in modo da ottenere una prestazione più elevata delle ceramiche AlN.
3. Additivi di sinterizzazione aggiunti
Nel processo di sinterizzazione del substrato ceramico al nitruro di alluminio, ad eccezione del processo e dell'atmosfera che influiscono sulle prestazioni del prodotto, anche la scelta degli additivi di sinterizzazione è particolarmente importante.
Gli additivi di sinterizzazione AlN sono generalmente ossidi di metalli alcalini e ossidi di metalli alcalino-terrosi, gli additivi di sinterizzazione hanno due ruoli principali: da un lato, la formazione di una fase a basso punto di fusione, sinterizzazione in fase liquida, riduzione della temperatura di sinterizzazione e promozione della densificazione del bianco . D'altra parte, l'elevata conducibilità termica è una prestazione importante dei substrati AlN. A causa dell'esistenza di vari difetti come le impurità dell'ossigeno, la conducibilità termica è inferiore al valore teorico, l'aggiunta di coadiuvante per la sinterizzazione può reagire con l'ossigeno per completare il reticolo e quindi migliorare la conducibilità termica.
I coadiuvanti di sinterizzazione utilizzati per la sinterizzazione delle ceramiche AlN sono principalmente Y2O3、CaO、Yb2O3、Sm2O3、Li2O3、B2O3、CaF2、YF3、CaC2, ecc. o loro miscele. La scelta di coadiuvanti per la sinterizzazione a più composti può spesso ottenere un migliore effetto di sinterizzazione rispetto ai singoli coadiuvanti per la sinterizzazione, ottenere la sinterizzazione a bassa temperatura AlN, ridurre il consumo di energia e facilitare la produzione continua. Per trovare il giusto basso-additivi per la sinterizzazione della temperatura, i produttori spesso devono investire molto tempo e sforzi nella ricerca e nello sviluppo, quindi questa parte si rifletterà anche nel prezzo del substrato AlN.
Questo articolo è ristampato da 360powder.com
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