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Hoy, sin duda, es la era de la tecnología de la información que se avecina. El rápido desarrollo de la industria de la microelectrónica ha hecho que la cerámica de nitruro de aluminio sea un éxito instantáneo en la producción de circuitos integrados de gran escala. Y están atrayendo la atención como sustratos cerámicos y materiales de empaque altamente conductivos térmicamente.
La conductividad térmica de AlN es actualmente la cerámica Al2O3 más utilizada hasta siete veces, mientras que la constante dieléctrica baja, con alúmina rivaliza con las excelentes propiedades eléctricas, alta resistencia, baja densidad y no tóxico. Pero hay ganancias y pérdidas, el sustrato de nitruro de aluminio actual enfrenta un dilema mayor, que es el costo que afecta en cierta medida la promoción de su aplicación.
Entonces, ¿de dónde vienen estos costos? Como se mencionó, AlN tiene una conductividad térmica sobresaliente, pero debido a las impurezas y defectos en la cerámica, la conductividad térmica del producto está lejos del valor teórico.
Por lo tanto, para acercarse lo más posible a la conductividad térmica teórica y resaltar las ventajas del propio AlN, los fabricantes deben tener cuidado en la preparación para evitar deficiencias de rendimiento evidentes. Cada proceso de excelencia, por lo que viene el alto costo.
Preparación de AlN en polvo
Como materia prima para la preparación de los productos cerámicos finales, la pureza, el tamaño de partícula, el contenido de oxígeno y otras impurezas tienen un impacto importante en la conductividad térmica, el proceso de sinterización y formación. Y son la piedra angular del excelente rendimiento de los productos finales.
Existen varios métodos de síntesis de polvos de AlN de la siguiente manera:
① Método de nitruración directa: en la atmósfera de nitrógeno a alta temperatura, el polvo de aluminio se combina químicamente directamente con nitrógeno para producir polvo de nitruro de aluminio, y la temperatura de reacción generalmente está en el rango de 800 ℃ ~ 1200 ℃.
② Método de reducción térmica de carbono: la mezcla de polvo de Al2O3 y polvo de carbono a alta temperatura (1400 ℃ ~ 1800 ℃) en el flujo de la reacción de nitruración por reducción de gas nitrógeno para producir polvo de AlN.
③ Método de síntesis de alta temperatura de autopropagación: es la nitruración directa del polvo de aluminio, aprovechando al máximo las características de la nitruración directa del polvo de aluminio como una fuerte reacción exotérmica, el polvo de aluminio en el punto de nitrógeno luego, el uso de alto calor de reacción química entre el aluminio y el nitrógeno para mantener la reacción por sí solo, la síntesis de AlN.
④Método de deposición de vapor químico: el uso de compuestos volátiles de aluminio y reacción de gas nitrógeno o amoníaco, precipitación de la fase gaseosa de polvo de nitruro de aluminio. De acuerdo con la elección de la fuente de aluminio, se divide en método de deposición de vapor químico inorgánico y orgánico.
Método | Ventaja | Desventaja |
Método de nitruración directa | Fuerte reacción exotérmica, fácil autosinterización, proceso simple, adecuado para la producción en masa | Controlado por difusión gas-sólido, que requiere alta temperatura y tiempo de reacción prolongado, estabilidad de baja calidad y productos de grano fino de alta pureza difíciles de sintetizar. |
Método de reducción térmica de carbono | Polvo sintético de alta pureza, rendimiento estable, tamaño de polvo fino y uniforme, preparación de polvo de alta calidad | Sensible a las condiciones del proceso, alta temperatura de reacción, largo tiempo de síntesis, necesidad de descarburación secundaria, alto costo |
Método de deposición de vapor químico | Proceso confiable, fácil de realizar la continuidad del proceso, obtener polvo a nanoescala de alta pureza | Baja eficiencia de producción |
Método de síntesis de alta temperatura de autopropagación | Velocidad de reacción rápida, tiempo de síntesis corto, proceso simple, bajo costo, alta eficiencia de producción y alta actividad del polvo producido | El proceso de reacción es difícil de controlar, lo que dificulta la preparación de polvo de alta calidad. |
Método de craqueo de sal orgánica | Producción continua, alta pureza del polvo preparado, ultrafino | Alto costo de las materias primas. |
Método de síntesis química de plasma | Tamaño de partícula pequeño, alta actividad y buen rendimiento del proceso del polvo preparado | Menor pureza, equipo complejo |
Obviamente, el proceso requerido para alta pureza, tamaño de partícula fino y distribución estrecha del tamaño de partícula del polvo de AlN es costoso, o el proceso de preparación es complicado, la eficiencia de producción es baja, o el equipo requiere condiciones altas, y la consecuencia de esta serie de dificultades es el alto precio del polvo de nitruro de aluminio de calidad.
Formación de AlN
Existen varios procesos de moldeo para el polvo de AlN, y se aplican los procesos de moldeo tradicionales, como el moldeado, el prensado en caliente y el prensado isostático. Entre ellos, el prensado en caliente y el prensado isostático son adecuados para la preparación de materiales cerámicos de nitruro de aluminio a granel de alto rendimiento, pero el alto costo y la baja eficiencia de producción no pueden satisfacer la creciente demanda de sustrato cerámico de nitruro de aluminio en la industria electrónica. Para resolver este problema, recientemente las personas utilizan el método de fundición por flujo para formar nitruro de aluminio.sustratos cerámicos. El método de fundición también se ha convertido en el principal proceso de moldeo de cerámicas de nitruro de aluminio en la industria electrónica.
Además, debido a la fuerte hidrofilicidad del polvo de AlN, para reducir la oxidación, se debe evitar en la medida de lo posible el contacto con el agua durante el proceso de moldeo, lo que significa que las piezas cerámicas de nitruro de aluminio se deben preparar con lechada orgánica. Pero dado que el solvente orgánico utilizado tiene una fuerte volatilidad, causará efectos adversos en el medio ambiente y el cuerpo humano. O mejore la resistencia superficial a la hidrólisis del polvo de AlN, como la formación de envolturas de recubrimiento en la superficie de AlN con la ayuda de sustancias orgánicas hidrofóbicas e hidrofílicas, o el tratamiento térmico en una determinada atmósfera de presión de partículas de oxígeno para formar una capa densa de óxido de aluminio en su superficie, etc
Sinterización de AlN
El proceso de sinterización de nitruro de aluminio es relativamente duro, la temperatura de sinterización o prensado en caliente suele ser de hasta 1800 ℃ o más, tanto para lograr una sinterización densa, reducir el contenido de impurezas y la fase límite del grano, como también para simplificar el proceso, reducir costos, en el clave del proceso de sinterización de la cerámica AlN: Primero, elija el proceso y la atmósfera de sinterización apropiados. En segundo lugar, elija los aditivos de sinterización apropiados.
1. Proceso de sinterización
El proceso de sinterización de sustratos de AlN es muy difícil debido a su pequeño coeficiente de autodifusión.
① Sinterización a presión en caliente: la cerámica sinterizada bajo cierta presión puede hacer que la sinterización por calentamiento y la formación presurizada al mismo tiempo, puedan obtener granos finos, alta densidad relativa y buenas propiedades mecánicas de la cerámica.
② Sin sinterización a presión: el proceso de sinterización es simple, la cerámica de nitruro de aluminio de sinterización a presión atmosférica tiene un rango de temperatura general de 1600-2000 ℃. El aumento adecuado de la temperatura de sinterización y la prolongación del tiempo de mantenimiento pueden mejorar la densidad de las cerámicas de nitruro de aluminio, pero la resistencia es relativamente baja.
③ Sinterización por microondas: la sinterización por microondas también es un método de sinterización rápido, que utiliza la interacción entre las microondas y el medio para producir pérdida dieléctrica y el calentamiento general del método de sinterización en blanco.
④ Sinterización por plasma de descarga: incorporación de activación por plasma, prensado en caliente, calentamiento por resistencia y otras tecnologías. Tiene las características de velocidad de sinterización rápida y tamaño de grano uniforme, pero el costo del equipo es alto y el tamaño de la pieza de trabajo procesada es limitado.
⑤Sinterización de autopropagación: las cerámicas densas de AlN se preparan directamente mediante una reacción de síntesis a alta temperatura de autopropagación bajo gas nitrógeno a ultra alta presión. Sin embargo, es difícil obtener cerámicas densas de AlN debido a la reacción de combustión a alta temperatura en la que el Al de la materia prima se funde fácilmente y evita que el nitrógeno penetre en la pieza en bruto.
Entre los cinco procesos de sinterización anteriores, la sinterización por prensado en caliente es el proceso principal para preparar cerámicas de AlN densificadas de alta conductividad térmica. Sin embargo, es un proceso más complejo con altos requisitos de equipo y baja eficiencia de producción, por lo que el costo naturalmente aumenta.
2. Atmósfera de sinterización
Actualmente, existen tres atmósferas de sinterización para cerámica AlN: atmósfera neutra, atmósfera reductora y atmósfera débilmente reductora. La atmósfera neutra usa el N2 de uso común, la atmósfera reductora usa CO y la atmósfera débilmente roja usa H2.
En la atmósfera reductora, el tiempo de sinterización y el tiempo de retención de las cerámicas de AlN no deben ser demasiado largos, y la temperatura de sinterización no debe ser demasiado alta para evitar la reducción de AlN. En atmósfera neutra, la situación anterior no ocurre, por lo que generalmente se opta por la sinterización en nitrógeno, para obtener un mayor rendimiento de las cerámicas de AlN.
3. Aditivos de sinterización añadidos
En el proceso de sinterización del sustrato cerámico de nitruro de aluminio, excepto que el proceso y la atmósfera afectan el rendimiento del producto, la elección de los aditivos de sinterización también es particularmente importante.
Los aditivos de sinterización AlN son generalmente óxidos de metales alcalinos y óxidos de metales alcalinotérreos, los aditivos de sinterización tienen dos funciones principales: por un lado, la formación de una fase de bajo punto de fusión, la sinterización en fase líquida, reducen la temperatura de sinterización y promueven la densificación del blanco. . Por otro lado, la alta conductividad térmica es un desempeño importante de los sustratos de AlN. Debido a la existencia de varios defectos, como impurezas de oxígeno, la conductividad térmica es más baja que el valor teórico, la adición de ayuda de sinterización puede reaccionar con el oxígeno para completar la red y, por lo tanto, mejorar la conductividad térmica.
Los auxiliares de sinterización utilizados para la sinterización de cerámica AlN son principalmente Y2O3、CaO、Yb2O3、Sm2O3、 Li2O3、B2O3,C y f2、YF3、CaC2, etc. o sus mezclas. La elección de ayudas de sinterización de múltiples compuestos a menudo puede obtener un mejor efecto de sinterización que las ayudas de sinterización individuales, lograr la sinterización a baja temperatura de AlN, reducir el consumo de energía y facilitar la producción continua. Con el fin de encontrar el derecho bajo-aditivos de sinterización de temperatura, los fabricantes a menudo necesitan invertir mucho tiempo y esfuerzo en investigación y desarrollo, por lo que esta parte también se reflejará en el precio del sustrato AlN.
Este artículo se ha reimpreso de 360powder.com
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