高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷的粉末注射成形技術(shù)

氮化鋁(AlN)陶瓷具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、電阻率高等特性以及良好的力學(xué)性能，被認(rèn)為是新一代高性能陶瓷基片和封裝的首選材料，為了滿足微電子技術(shù)發(fā)展對(duì)微型復(fù)雜形狀高導(dǎo)熱陶瓷零部件用量日益增加的需求，該文作者研究利用粉末注射成形技術(shù)制備高導(dǎo)熱AlN陶瓷零部件。該技術(shù)以AlN粉末為原料，加入5% Y2O3為燒結(jié)助劑；選用蠟基粘結(jié)劑體系(PW +PP+ SA)，確定粉末裝載量為62%(體積分?jǐn)?shù))，注射溫度為160~170 ℃，注射壓力為90～100 MPa；采用溶劑脫脂+熱脫脂工藝脫脂；在1 850 ℃流動(dòng)氮?dú)夥罩袩Y(jié)。所制備出的AlN陶瓷熱導(dǎo)率達(dá)232.4 W/(m·K)
     氮化鋁(AlN)陶瓷以其具有高熱導(dǎo)率(理論熱導(dǎo)率為320 W/(m·K))、低介電常數(shù)(約8.8，1 MHz)和介電損耗(3~10，1 MHz)、無毒、絕緣，并具有良好的力學(xué)性能以及與硅和砷化鎵等芯片材料相匹配的熱膨脹系數(shù)((3.5~4.8)×10?6 K?1，20～500 ) ℃，被認(rèn)為是新一代高性能陶瓷基片和封裝的首選材料。鈞杰陶瓷用專門加工陶瓷材料的CNC機(jī)床和加工陶瓷材料定制的刀具可以解決這一個(gè)問題，鈞杰陶瓷做陶瓷加工這一行已有多年，對(duì)陶瓷材料加工是非常有經(jīng)驗(yàn)的，不管是氧化鋯、氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、可加工陶瓷、碳化硅、鋁基碳化硅、鋁硅復(fù)合材料等在鈞杰陶瓷這里都能進(jìn)行加工，并且還保證產(chǎn)品的高質(zhì)量，加工效率高。歡迎大家前來參觀，鈞杰陶瓷隨時(shí)歡迎各位朋友的到來。鈞杰陶瓷加工：134 128 56568（微信）

近年來，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模集成電路和大功率微波器件對(duì)高尺寸精度的異形封裝和散熱器件的需求正 在每年成倍增加，因而需要越來越多的微型、復(fù)雜形狀高導(dǎo)熱AlN陶瓷零部件，但是AlN陶瓷硬度高、脆性大，采用傳統(tǒng)的加工方法很難制備出形狀和尺寸精度滿足需要的零部件。  粉末注射成形是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門新型近終形成形技術(shù)。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是可以直接制備出復(fù)雜形狀的零件，而且由于是流態(tài)充模，基本上沒有模壁摩擦，成形坯的 344密度均勻，尺寸精度高。因此，國(guó)際上普遍認(rèn)為該技術(shù)的發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致零部件成形與加工技術(shù)的一場(chǎng)革命，被譽(yù)為“21世紀(jì)的零部件成形技術(shù)”。粉末注射成形技術(shù)為制備較高尺寸精度、復(fù)雜形狀A(yù)lN陶瓷零部件提供了一種研究思路。本文作者利用粉末注射成形技術(shù)來制備高導(dǎo)熱AlN陶瓷零部件。

采用純度為99.9%的Y2O3作為燒結(jié)助劑。以無水乙醇作為介質(zhì)， 按m(AlN):m(Y2O3)=95:5的比例將AlN粉末和Y2O3粉末混合，球磨6 h后，烘干、篩分得到混合均勻的AlN+Y2O3粉末。在XNZ-Ⅰ型轉(zhuǎn)矩流變儀中將配制好的粘結(jié)劑與AlN+Y2O3粉末按照粉末裝載量為62%進(jìn)行混和，在PSJ32型混煉擠出機(jī)上制粒，使喂料更加均勻，在CJ50－E型注射機(jī)上注射成形得到注射坯。采用溶劑脫脂+熱脫脂工藝進(jìn)行脫脂，在氮?dú)饬魉贋?.0 L/min的VSF-150/150高溫真空燒結(jié)爐中燒結(jié)得到AlN陶瓷燒結(jié)試樣。    

在毛細(xì)管流變儀(Instron 3211)上測(cè)定喂料的流變數(shù)據(jù)；采用STA409-QMS綜合熱分析儀對(duì)喂料進(jìn)行熱失重分析(TGA)和差熱掃描量熱分析(DSC)；用阿基密德排水法測(cè)量樣品密度；用日本理學(xué)Rigaku公司D/max-RB12型旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀(Cu Kα，λ= 0.154 06 nm)進(jìn)行物相分析；用英國(guó)LEO公司JSM- 6301F型掃描電鏡觀察試樣顯微形貌并對(duì)晶界進(jìn)行成分分析； 通過NETZSCH公司LFA-427型激光熱導(dǎo)儀測(cè)定熱擴(kuò)散系數(shù)，然后根據(jù)公式(1)計(jì)算燒結(jié)試樣的熱導(dǎo)率：   αρλ??=PC                           

 (1)   式中  λ為AlN燒結(jié)試樣的熱導(dǎo)率；Cp是AlN材料的比熱容(在此取純AlN在20 ℃的熱容為0.734 J/(g·K)計(jì)算)；ρ是燒結(jié)試樣的密度；α為燒結(jié)試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)。    2  結(jié)果與討論    2.1  粘結(jié)劑的選擇以及喂料的流變性能  粘結(jié)劑是注射成形技術(shù)的核心，首先，粘結(jié)劑是粉末的載體，它在很大程度上決定喂料注射成形的流變性能和注射性能；其次，一種良好的粘結(jié)劑還必須具有維形作用，即保證樣品從注射完成到脫脂結(jié)束都能維持形狀而不發(fā)生變化。為了同時(shí)滿足上述要求，粘結(jié)劑一般由多種有機(jī)物組元組成[9?10]。本研究中選擇的粘結(jié)劑為石蠟基粘結(jié)劑體系，以熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好的石蠟(PW)作為主要組元；另外添加適量的熔點(diǎn)較高、具有較強(qiáng)韌性的高分子聚合物聚丙烯(PP)，作為骨架材料給坯體提供足夠的強(qiáng)度；然后再添加少量的硬脂酸(SA)作為表面活性劑，在粘結(jié)劑和粉末顆粒之間起到橋接作用，以防止發(fā)生兩相分離，保證混料均勻。  喂料體系的流變性能對(duì)注射成形起著至關(guān)重要的作用，優(yōu)良的喂料體系應(yīng)該具備低粘度、高強(qiáng)度和良好的溫度穩(wěn)定性[9?10]。粘度是描述熔體流變行為最為重要的參數(shù)，表征熔體抵抗外力引起流動(dòng)變形的能力。注射成形中的喂料在熔體狀態(tài)下一般為假塑性流體，對(duì)于假塑性流體，有：η=kγn，η=τ/γ。即  η=kγ(n?1)，(式中η是流體的表觀粘度，τ是剪切應(yīng)力，γ是剪切速率，k為常數(shù)，n是粘性流動(dòng)指數(shù))。對(duì)于注射成形來說， n反映粘度對(duì)剪切速率的敏感性，n越小，粘度隨剪切速率升高而迅速降低，這對(duì)于復(fù)雜形狀的注射成形是非常有利的。因此，一般要求在n＞0.2的情況下越小越好。圖1所示為喂料粘度和剪切速率的關(guān)系，粘度隨剪切速率增大而減小，符合假塑性流變行為。通過二元擬合可求得在150、160、170 ℃下喂料的n值分別為0.47，0.50和0.51。  粘結(jié)劑的組成以及配制的喂料的裝載量決定最終的注射參數(shù)，通過試驗(yàn)得出最佳的注射參數(shù)為：溫度160~170 ℃，壓力90～100 MPa，在此條件下得到的注射坯完好無缺陷。   2.2  脫脂工藝  注射坯采用溶劑脫脂+熱脫脂的脫脂工藝。首先利用有機(jī)溶劑三氯乙烯將蠟基粘結(jié)劑體系中的石蠟溶解脫除，剩下的部分高聚物粘結(jié)劑維持坯體形狀。石蠟脫除后形成的空隙通道，為后續(xù)熱脫脂工藝快速脫除高聚物做好了準(zhǔn)備。采用溶劑脫脂＋熱脫脂工藝不僅可以縮短脫脂時(shí)間，并能減小變形，提高尺寸精度。

將注射坯在三氯乙烯中進(jìn)行溶劑脫脂，溶劑脫脂溫度為40 ℃，在溶劑脫脂6 h后，粘結(jié)劑中的石蠟基本脫除完全，此時(shí)粘結(jié)劑的脫除率為60%左右。

所示為注射坯溶劑脫脂前后的微觀結(jié)構(gòu)，可以看出，溶劑脫脂后，注射坯中形成了大量的孔隙通道，這為后續(xù)的熱脫脂打下了很好的基礎(chǔ)。  圖3所示是注射坯溶劑脫脂后的熱分析曲線。由于坯體中的大部分石蠟已經(jīng)脫除，試樣中剩下的粘結(jié)劑成分主要為聚丙烯(PP)。圖3中在353 ℃最明顯的吸熱峰對(duì)應(yīng)的是PP的熱分解。從TG曲線可知，質(zhì)量損失主要在250～450 ℃之間，450 ℃以后不再有質(zhì)量損失。另外從DSC曲線也可以看到在450 ℃以后也不再有吸熱或放熱峰出現(xiàn)。說明經(jīng)過溶劑脫脂的注射坯在450 ℃熱脫脂以后已將坯體中的粘結(jié)劑全部脫除干 凈。

根據(jù)溶劑脫脂后坯體的熱分析曲線，可以確定出溶劑脫脂后AlN成形坯的熱脫脂工藝。在60 min內(nèi)將脫脂溫度從室溫升至150 ℃，在該溫度范圍內(nèi)粘結(jié)劑尚未熱解，主要是排除注射坯中的少量水分，為粘結(jié)劑的脫除做好準(zhǔn)備，因此該階段可以采用較快的升溫速度；在脫脂的第二階段，采用1 ℃/min的升溫速度，從150 ℃升高到300 ℃，需用時(shí)間150 min；為了確保石蠟全部脫除干凈，再在60 min內(nèi)從300℃緩慢升高到320 ℃；在320～400 ℃之間，對(duì)應(yīng)著聚丙烯的熱分解，在此階段石蠟全部熱解脫除，脫脂坯中形成大量的連通孔隙，在120 min內(nèi)完成該過程；同樣為了確保聚丙烯全部脫除，再在60 min內(nèi)從400 ℃緩慢升 高到420 ℃，保溫30 min然后爐冷至室溫。   2.3  微觀組織與性能  將脫脂坯在1 850 ℃的流動(dòng)氮?dú)夥罩袩Y(jié)，圖4所示為燒結(jié)樣品的微觀結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，材料致密。圖5所示是燒結(jié)試樣的XRD

分析結(jié)果，主相 346為AlN，還含有YAlO3 、Y4Al2O9。YAlO3 和Y4Al2O9是由Y2O3燒結(jié)助劑與AlN陶瓷粉末顆粒表面的氧化鋁反應(yīng)生成，這些第二相不僅可以促進(jìn)燒結(jié)， 還可以凈化AlN晶格，提高AlN陶瓷的熱導(dǎo)率[11?12]。材料的密度為3.29 g/cm3，熱導(dǎo)率為232.4 W/(m·K)

3  結(jié)論    1)選擇一種適合AlN陶瓷注射成形的蠟基粘結(jié)劑體系PW+PP+SA，在裝載量為62%時(shí)，研究喂料的流變性能，得出最佳的注射成形工藝為：注射溫度160~170 ℃，注射壓力90～10 MPa。結(jié)果表明注射坯完好無缺陷。  2)研究注射坯的溶劑脫脂＋后續(xù)熱脫脂工藝。采用三氯乙烯為有機(jī)溶劑，在溶劑脫脂6 h后，粘結(jié)劑  的脫除率達(dá)60%左右。溶劑脫脂可明顯縮短后續(xù)熱脫脂時(shí)間，并對(duì)維持坯體形狀有利。  3)在1 850 ℃流動(dòng)氮?dú)夥罩袩Y(jié)，可以制備密度為3.29 g/cm3、熱導(dǎo)率為232.4 W/(m·K)的AlN陶瓷。