氮化鋁陶瓷

氮化鋁陶瓷具有優(yōu)良的絕緣性、導熱性、耐高溫性、耐腐蝕性以及與硅的熱膨脹系數(shù)相匹配等優(yōu)點，成為新一代大規(guī)模集成電路、半導體模塊電路及大功率器件的理想散熱和封裝材料。成型工藝是陶瓷制備的關鍵技術，是提高產(chǎn)品性能和降低生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)之一。

隨著工業(yè)技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的成型方法已難以滿足人們對陶瓷材料在性能和形狀方面的要求。陶瓷的濕法成型近年來成為研究的重點，因為濕法成型具有工藝簡單、生產(chǎn)效率高、成本低和可制備復雜形狀制品等優(yōu)點，易于工業(yè)化推廣。

濕法成型包括流延成型、注漿成型、注射成型和注凝成型等。

1.氮化鋁陶瓷的流延成型

料漿均勻流到或涂到支撐板上，或用刀片均勻的刷到支撐面上，形成漿膜，經(jīng)干燥形成一定厚度的均勻的素坯膜的一種料漿成型方法。流延成型工藝包括漿料制備、流延成型、干燥及基帶脫離等過程。

流延成型工藝流程圖

溶劑和分散劑

高固相含量的流延漿料是流延成型制備高性能氮化鋁陶瓷的關鍵因素之一。溶劑和分散劑是高固相含量的流延漿料的關鍵。溶劑必須滿足以下條件：

（1）必須與其他添加成分相溶，如分散劑、粘結劑和增塑劑等；

（2）化學性質穩(wěn)定，不與粉料發(fā)生化學反應；

（3）對粉料顆粒的潤濕性能好；

（4）易于揮發(fā)與燒除；

（5）使用安全、衛(wèi)生且對環(huán)境污染小。

常用有機溶劑與水的物理性質

粘結劑和增塑劑

在流延漿料中加入粘結劑與增塑劑主要是為了提高薄片的強度和改善薄片的韌性及延展性。流延薄片在室溫下自然干燥時，溶劑不斷揮發(fā)，粘結劑則能自身固化成三維網(wǎng)絡結構防止薄片中的顆粒沉降，并且賦予薄片一定的強度。增塑劑的引入保證了薄片的柔韌性，同時降低了粘結劑在室溫和較低溫度時的玻璃化轉變溫度。

流延成型的工藝特點：

優(yōu)點：設備不太復雜，工藝穩(wěn)定，可連續(xù)生產(chǎn)，效率高，自動化程度高，坯膜性能均一且易于控制, 適于制造各種超薄形陶瓷器件，氧化鋁陶瓷基片等。

缺點：坯體密度小，收縮性高。

2.氮化鋁陶瓷的注射成型

陶瓷注射成型技術（CIM）是一種制造復雜形狀陶瓷零部件的新興技術，在制備復雜小部件方面有著其不可比擬的獨特優(yōu)勢。隨著近年來全球范圍內(nèi)電子陶瓷產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的不斷擴大，CIM 技術誘人的應用前景更值得期待。該工藝主要包括喂料制備、注射成型、脫脂和燒結。

注射成型工藝流程圖

粘結劑

粘結劑是氮化鋁陶瓷粉末的載體，決定了喂料注射成形的流變性能和注射性能。良好的粘結劑可起到形狀維持的作用，且有效減少坯體變形和脫脂缺陷的產(chǎn)生。

陶瓷注射成型粘結劑須具備以下條件：

(1)流動特性好，注射成型黏度適中，且黏度隨溫度不能波動太大，以減少缺陷產(chǎn)生；

(2)對粉體的潤濕性和粘附作用好；

(3)具有高導熱性和低熱膨脹系數(shù)。

(4)一般由多組分有機物組成，單一有機粘結劑很難滿足流動性要求。

排膠工藝

由于注射成型坯體中有機物含量較高，排膠過快會造成坯體開裂、起泡、分層和變形，因此，如何快速高效排膠成為注射成型的一大難點。排膠工藝包括熱排膠和溶劑排膠。起初主要采用熱排膠，簡單地把有機物燒除，這種方式能耗高、時間長。為了提高排膠效率，一些學者探索了溶劑排膠的工藝。由于粘結劑中石蠟占比重較大，溶劑排膠主要是將坯體中的石蠟溶解，其他粘結劑仍能維持坯體形狀。溶劑排膠結合熱工藝排膠可以大大縮短排膠時間。

注射成型的工藝特點：

(1)可近凈尺寸成型各種復雜形狀，很少(或無需)進行機械加工；

(2)成型產(chǎn)品生坯密度均勻，且表面光潔度及強度高；

(3)成型產(chǎn)品燒結體性能優(yōu)異且一致性好；

(4)易于實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。

3.氮化鋁陶瓷的注凝成型

該工藝的基本原理是在黏度低、固相含量高的料漿中加入有機單體，在催化劑和引發(fā)劑的作用下，使料漿中的有機單體交聯(lián)聚合形成三維網(wǎng)狀結構，使料漿原位固化成型，然后再進行脫模、干燥、去除有機物、燒結，即可得到所需的陶瓷零件。

注凝成型工藝流程圖

注凝成型的工藝特點：

坯體強度高、坯體整體均勻性好、可做近凈尺寸成型、適于制備復雜形狀陶瓷部件和工業(yè)化推廣、無排膠困難、成本低等。

目前流延成型和注射成型在制備氮化鋁陶瓷方面具有一定優(yōu)勢，隨著科學技術的發(fā)展以及人們對環(huán)境污染的重視，凝膠流延成型和注凝成型必然會取代上述兩種方法，成為氮化鋁陶瓷的主要生產(chǎn)方法，從而促進氮化鋁陶瓷的推廣與應用。

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AlN陶瓷應用

1、氮化鋁陶瓷基片具有熱導率高、膨脹系數(shù)低、強度高、耐高溫、耐化學腐蝕及介電損耗小等優(yōu)點，是理想的大規(guī)模集成電路散熱基板和封裝材料。

2、氮化鋁硬度高，超過傳統(tǒng)氧化鋁，可用于新型耐磨陶瓷材料。

3、利用氮化鋁光學性能，可作紅外線窗口。氮化鋁薄膜可制成高頻壓電元件、超大規(guī)模集成電路基片等。

4、氮化鋁陶瓷具有耐熱、耐熔融金屬侵蝕，對酸穩(wěn)定，可用作鋁、銅、銀、鉛等金屬熔煉的坩堝和燒鑄模具材料。