Шихта для высокотеплопроводных изделий из нитрида алюминия и способ их изготовления

 

Изобретение относится к составу шихты и способу получения высокотеплопроводных изделий из AlN, которые могут быть использованы в различных областях техники, например, в качестве подложек радиосхем, термостойких электроизоляторов, теплоотводов в приборах взаимен токсичного оксида бериллия, который обладает высокой теплопроводностью до 260 Вт/м К. Предлагаемый состав шихты, включающий порошок нитрида алюминия, оксид иттрия, оксид бора и углерод, позволяет получить вакуумноплотные изделия с теплопроводностью 150. . .200 Вт/м К. Предлагаемый способ изготовления вакуумноплотных высокотеплопроводных изделий включает смешивание компонентов при сухом помоле, формование заготовок и их обжиг при атмосферном давлении при температуре 1750. ..1840°С. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к составу шихты и способу получения высокотеплопроводных изделий из AlN, которые могут быть использованы в различных областях техники, например в качестве подложек радиосхем, термостойких электроизоляторов, теплоотводов в приборах взамен токсичного оксида бериллия, который обладает высокой теплопроводностью до 260 Вт/мК [1] В современной технике в различных устройствах широкое применение находят вакуумно-плотные керамические материалы [2] Для достижения вакуумной плотности керамических материалов из оксидной керамики их водопоглощение не должно превышать 0,02% Такие материалы должны выдерживать многократное термоциклирование без потери вакуумной плотности, что обеспечивается согласованием КТР образующих керамический материал фаз и другими факторами [3] Для получения изделий из AlN, обладающих вакуумной плотностью и высокой теплопроводностью, хорошими диэлектрическими свойствами, важен выбор шихты и способ изготовления изделий из этой шихты. Сочетание высокого уровня теплопроводности керамических изделий с высокой производительностью, доступностью, простотой, экологической чистотой технологического процесса обеспечивает шихта, содержащая углерод.

Наиболее близкими к предлагаемому являются шихта и способ получения теплопроводных изделий из AlN, выбранный с качестве прототипа [4] Шихта содержит нитрид алюминия, оксид иттрия и углерод. Углерод содержится в шихте в виде графита или углеродсодержащего органического материала, термически разлагающегося при 50.1000^оС, Y₂O₃ в виде оксида иттрия. Для такой шихты разработан способ для ее реализации. Смесь готовят различными методами, но предпочтительно мокрое измельчение в жидкой среде (гептане, гексане или трихлорэтилене) при комнатной температуре. Полученную смесь сушат на воздухе, затем из нее формуют заготовки при комнатной температуре. Заготовки нагревают в неокислительной азотсодержащей атмосфере в интервале от 1350^оС до температуры, обеспечивающей получение деоксидированного материала. Спекание осуществляют при температуре не менее 1830^оС с получением поликристаллической керамики. Если используют углеродсодержащий органический материал, то после формования проводят дополнительно прокаливание при 1200^оС.

Коэффициент теплопроводности полученных изделий превышает 100 Вт/м.К (122.130 Вт/м.К).

Недостатком известного состава шихты и способа [4] является сравнительно высокая пористость изделий до 10% об (водопоглощение более 0,02%), не обеспечивающая вакуумную плотность. Способ усложняет ступенчатый обжиг заготовок при высокой температуре спекания (выше 1830^оС).

Задачей изобретения является уменьшение открытой пористости (водопоглощения) изделий, достижения их вакуумной плотности при сохранении высокой теплопроводности изделий, снижение температуры спекания при одновременном упрощении технологии.

Поставленная цель достигается за счет того, что шихта для изготовления высокотеплопроводных изделий из AlN дополнительно содержит кислородсодержащее соединение бора (оксид, борная кислота или пентаборат аммония) при следующем соотношении компонентов, мас. Y₂O₃ 1,5.3,0 Кислородсодер- жащее соедине- ние бора (в перес- чете на В₂О₃) 0,45.0,9 Углерод 0,15.0,5 AlN Остальное Способ изготовления изделий из данной шихты включает смешивание исходного порошка AlN с углеродом, оксидом иттрия и кислородсодержащим соединением бора при сухом помоле, спекание сформованных методом полусухого прессования заготовок при 1750.1840^оС в неокислительной азотсодержащей атмосфере. Дополнительный эффект при обжиге достигается при использовании вместо молибденовых пластин засыпки, содержащей порошок AlN (50.95 мас.) и порошок BN (5.50 мас.).

Сущность изобретения заключается в следующем.

При температуре около 1583^оС оксид бора (борная кислота и пентаборат аммония при обжиге переходят в оксид бора) образует с оксидом иттрия расплав в виде бората иттрия, который входит в состав жидкой фазы, способствующей спеканию AlN до вакуумной плотности.

Углерод, содержащийся в шихте, восстанавливает борат иттрия при температуре выше 1700^оС по реакции: 2YBO₃ + 3C + N₂->>2BN + Y₂O₃ + 3CO
Кроме того, углерод восстанавливает до AlN часть оксида алюминия, который в качестве примеси присутствует в исходном порошке AlN и является источником кислорода. Углерод способствует удалению бората иттрия ("стеклофазы"), уменьшению содержания второй фазы и повышает таким образом теплопроводность материала. Образующийся нитрид бора не снижает теплопроводность изделий из AlN.

Нижний предел температуры обжига (1750^оС) обусловлен процессом взаимодействия углерода с боратом иттрия, так как при температуре обжига ниже 1750^оС скорость реакции мала. Верхний предел температуры обжига (1840^оС) обусловлен тем, что температура обжига выше 1840^оС не дает дополнительного эффекта для уплотнения изделий.

Нижний предел добавки оксида иттрия (1,5 мас.) объясняется тем, что при обжиге образуется количество расплава, недостаточное для полного удаления пор, таким образом, не происходит спекание изделий до высокой плотности и получение высокотеплопроводного материала. Нижний предел В₂О₃ связан с минимальным количеством добавки Y₂O₃ и также не оказывает существенного влияния на снижение пористости и повышение теплопроводности изделий.

Верхний предел добавки Y₂O₃ объясняется тем, что образуется большое количество второй фазы в керамике, что ведет к снижению теплопроводности материала. Верхний предел добавки В₂О₃ связан с максимальным количеством добавки Y₂O₃, увеличение количества В₂О₃ ведет к деформации изделий при обжиге.

Нижний и верхний пределы содержания углерода объясняются тем, что соответствующее количество углерода взаимо- действует с боратом иттрия и примесью Al₂O₃, восстанавливая их до нитридов бора и алюминия.

Нижний предел BN в засыпке обусловлен тем, что уменьшение содержания нитрида бора в засыпке не дает дополнительного эффекта при обжиге изделий из AlN. Верхний предел BN в засыпке обусловлен деформацией изделий из AlN при обжиге.

П p и м е p. Способ изготовления изделий из указанной шихты включает помол исходного порошка AlN с выбранными добавками сухим способом, спекание сформованных заготовок при атмосферном давлении в неокислительной среде в одну стадию при 1750.1840^оС между пластинами из AlN без засыпки или в засыпке. Дополнительный эффект достигают при использовании засыпки, содержащей порошок AlN (50.95 мас.) и порошок BN (5.50 мас.).

В табл. 1 приведены примеры опытных составов шихты и свойства изделий, изготовленных по предлагаемому способу.

В табл.2 и 3 даны опробованные варианты технологических условий получения изделий из опытных составов шихты и свойства этих изделий.

В табл.4 приведены примеры опытных составов засыпки и свойства изделий, обожженных в этой засыпке.

Пpедлагаемый состав шихты более эффективен чем известный, так как позволяет получить вакуумно-плотные высокотеплопроводные изделия при пониженных температурах обжига.

Предлагаемый способ изготовления вакуумноплотных высокотеплопроводных изделий отличается простотой, доступностью, экологической чистотой технологического процесса.

Полученный материал имеет плотность 3,25-3,27 г/см³, теплопроводность 180-190 Вт/м˙К и может быть использован в электронной, радиотехнической и других областях техники в качестве вакуумно-пплотных теплопроводных деталей, подложек интегральных схем и т.д.

Формула изобретения

1. Шихта для высокотеплопроводных изделий из нитрида алюминия, включающая порошки нитрида алюминия, оксида иттрия и углерод, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кислородсодержащее соединение бора при следующем соотношении компонентов, мас.

Оксид иттрия 1,5 3,0
Углерод 0,15 0,5
Кислородсодержащее соединение бора (в пересчете на B₂O₃) 0,45 0,9
Нитрид алюминия Остальное
2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что кислородсодержащее соединение бора представляет собой оксид, борную кислоту или пентаборат аммония.

3. Способ изготовления высокотеплопроводных изделий из шихты на основе нитрида алюминия, включающий смешивание компонентов при сухом измельчении, формование заготовок и их обжиг при атмосферном давлении, отличающийся тем, что обжиг проводят при 1750 1840^oС.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что обжиг ведут в засыпке состава, мас.

Нитрид алюминия 50 95
Нитрид бора 5 50

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3