摘 要

AlN陶瓷因具有热导率高、介电常数低、绝缘性好、热化学稳定性好、无毒等优点，被认为是替代传统Al₂O₃和BeO陶瓷的理想基板材料。但AlN属于共价化合物，熔点很高，常压下难以烧结致密。通常采用添加Y₂O₃烧结助剂的方式降低烧结温度，获得致密的AlN陶瓷。目前大多认为Y₂O₃是与AlN表面的Al₂O₃反应生成液相促进烧结，但此结论并未得到验证。而人们对所生成的钇铝化合物的各项性能及对AlN陶瓷的影响也不清楚。

本文以Y₂O₃、Al₂O₃粉体为原料，研究不同Y₂O₃、Al₂O₃配比、不同烧结温度（1300~1650℃）和在不同保温时间（1~3h）下制备的Y₂O₃-Al₂O₃化合物的的物相组成（XRD测试）、气孔率、体积密度、力学性能、介电性能和导热性能。

实验结果表明，各化合物随着温度升高和保温时间延长，更加致密化，强度升高，介电性能和导热性能也有所提高。而Y/Al比也会对性能产生影响：Y/Al比增加时，样品会更加致密，强度和介电性能也有所提高，但导热性能会有所降低（在Y/Al=2时又略有上升）。在1650℃下保温2-3h的Y/Al=2的Y₂O₃-Al₂O₃化合物样品，在所有样品中各项性能最优：密度在4.3g/cm³以上，气孔率低于0.6%，弯曲强度大于100MPa，相对介电常数达到12.6，介电损耗仅为0.0006左右。而1650℃保温3h的Y/Al=0.6的样品热扩散系数最高，达到2.356mm²/s。另外验证得AlN中加入Y₂O₃时，Y₂O₃只与Al₂O₃发生反应生成各种钇铝化合物，并不与AlN发生反应。

关键词：AlN陶瓷 Y₂O₃ Al₂O₃ 钇铝化合物 性能

Preparation and Properties of Y₂O₃-Al₂O₃ Compounds

Abstract

AlN ceramics are considered to be an ideal substrate material for replacing traditional Al₂O₃ and BeO ceramics because of their high thermal conductivity, low dielectric constant, good insulation, good thermochemical stability and non-toxicity. However, AlN is a covalent compound with a high melting point and is difficult to sinter and compact under normal pressure. The sintering temperature is usually lowered by adding a Y₂O₃ sintering aid to obtain a dense AlN ceramic. At present, Y₂O₃ is considered to react with Al₂O₃ on the surface of AlN to form a liquid phase to promote sintering，but this conclusion has not been verified. And the properties of the formed yttrium aluminum compound and the influence on AlN ceramics are not clear.

In this paper, Y₂O₃ and Al₂O₃ powders are used as raw materials to study different Y₂O₃ and Al₂O₃ ratios, different sintering temperatures (1300~1650℃) and different holding time (1~3h). The phase composition (XRD test), porosity, bulk density, mechanical properties, dielectric properties, and thermal conductivity of the Y₂O₃-Al₂O₃ compound prepared.

The experimental results show that with the increase of temperature and the holding time, the compounds are more dense, the strength is increased, and the dielectric properties and thermal conductivity are also improved. The Y/Al ratio also affects the performance: when the Y/Al ratio is increased, the sample will be denser, the strength and dielectric properties will be improved, but the thermal conductivity will be reduced (the simple of Y/Al=2 is rise). Y₂O₃-Al₂O₃ compound samples with Y/Al=2 incubated at 1650℃ for 2-3h have the best performance in all samples: density above 4.3g/cm³, porosity less than 0.6%, flexural strength greater than 100MPa The relative dielectric constant is 12.6 and the dielectric loss is only about 0.0006. The sample with Y/Al=0.6 at 1650℃ for 3h has the highest thermal diffusivity, reaching 2.356 mm²/s. In addition, when Y₂O₃ was added to AlN, Y₂O₃ reacted with Al₂O₃ to form various bismuth aluminum compounds, and did not react with AlN.

Key words: AlN ceramics; Y₂O_3; Al₂O₃; Yttrium aluminum compound; Performance

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 烧结助剂作用机理 2

1.3 Y₂O₃烧结助剂 3

1.4 其他烧结助剂 4

1.4.1 一元烧结助剂 4

1.4.2二元及多元烧结助剂体系 5

1.5 本课题研究内容 5

第二章 实验方法和过程 7

2.1 实验原料 7

2.2 实验仪器 7

2.3 实验过程 8

2.4 测试与表征 9

2.4.1 物相结构分析 9

2.4.2 微观形貌分析 9

2.4.3 体积密度及气孔率 9

2.4.4 抗弯强度 10

2.4.5 介电性能的测试 11

2.4.6 导热性能 12

第三章 不同Y/Al比化合物的制备与性能研究 13

3.1 烧成温度对Y₂O₃-Al₂O₃化合物的制备及其性能影响 13

3.1.1烧成温度对致密度的影响 13

3.1.2 烧成温度对抗弯强度的影响 14

3.1.3 烧成温度对介电性能的影响 15

3.1.4 烧成温度对导热性能的影响 16

3.2 保温时间对Y₂O₃-Al₂O₃化合物的制备及其性能影响 17

3.2.1 保温时间对致密度的影响 17

3.2.2 保温时间对抗弯强度的影响 19

3.2.3 保温时间对介电性能的影响 19

3.2.4 保温时间对导热性能的影响 21

3.3 Y₂O₃/Al₂O₃化合物物相组成分析 21

3.4 Y₂O₃/Al₂O₃化合物显微结构分析 23

3.5 加入大量Y₂O₃的AlN样品物相组成分析 25

第四章 结论与展望 28

4.1 结论 28

4.2 展望 28

参考文献 30

致谢 32

第一章 绪论

1.1 引言

在当今这个信息时代，如何将集成电路做的更加高效，更加智能化，满足信息产业的快速发展、满足人们的需求，是行业研究的重点。对于电子器件不可缺少的集成电路来说，其所用基板以及封装材料，必须具有各种良好的物理性能，如热导率高、介电常数低、绝缘性好、机械性能良好及对人体无毒等，这些是必不可少的^[1]。导热性能又是其中的重点：当高性能微电子器件工作时，会产生大量的热量，这些热量则会影响到电路的性能。据测算，达到一定温度后(100℃)，元件工作时自身温度每升高25℃，整个电路的失效概率就会增加5～6倍^[2]。

多年以来，生产集成电路的基板和封装材料，还是采用传统的Al₂O₃和BeO陶瓷。但这两种陶瓷都有很明显的缺陷：Al₂O₃陶瓷的热导率较低，使得电子元件的散热能力不好，会增加电路的失效概率；BeO陶瓷综合性能优良，但却有生产成本高、毒性大的劣势，严重限制了其广泛应用^[3]。另外，SiC陶瓷因其硬度高、耐磨性好、导热性能较好，也可用作基板材料，但这种陶瓷最大的缺点就是难以烧结致密，生产出来的样品介电性能也较差，目前也难以大规模应用^[4]。

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