РАЗРАБОТКА  ТЕХНОЛОГИИ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ  ВЫСОКОТЕПЛОПРОВОДНОЙ  КЕРАМИКИ  НА  ОСНОВЕ  НИТРИДА  АЛЮМИНИЯ  С  ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  НАНОПОРОШКА  ОКСИДА  ИТТРИЯ

Омурбекова  Кымбат  Рыскуловна

магистрант  НИ  ТПУ,  г.  Томск,  Россия,

E-mail:  omur_kymbat@mail.ru

Непочатов  Юрий  Кондратьевич

директор  «Керамик  Инжиниринг»,  г.  Новосибирск,  Россия,

Денисова  Анастасия  Аркадьевна

ведущий  инженер-технолог  «Керамик  Инжиниринг»,  г.  Новосибирск,  Россия,

Швецова  Юлия  Ивановна

инженер-технолог  «Керамик  Инжиниринг»,  г.  Новосибирск,  Россия,

Дитц  Александр  Андреевич

канд.  техн.  наук,  доцент  НИ  ТПУ,  г.  Томск,  Россия

Волкова  Анна  Валентиновна

ученица  МБОУ  лицея  при  ТПУ  г.  Томск,  Россия

DEVELOPMENT  OF  MANUFACTURING  TECHNOLOGY  OF  HIGH  THERMALLY  CONDUCTIVE  CERAMIC  BASED  ON  ALUMINUM  NITRIDE  USING  YTTRIUM  OXIDE  NANOPOWDERS

Omurbekova  Kymbat  Ryskulovna

master  student  of  Tomsk  Polytechnic  University,  Tomsk,  Russia

Nepochatov  Yuri  Kondratievich

the  director  of  "Ceramics  Engineering",  Novosibirsk,  Russia,

Arkadievna  Anastasia  Denisova

lead  Process  Engineer  "Ceramic  Engineering",  Novosibirsk,  Russia,

Shvetsov  Julia

process  Engineer  "Ceramic  Engineering",  Novosibirsk,  Russia,

Dietz  Alexander

candidate  of  chemical  science,  docent  Tomsk  Polytechnic  University,  Tomsk,  Russia

Volkova  Anna

student  MBOU  Lyceum  of  the  Tomsk  Polytechnic  University,  Tomsk,  Russia

АННОТАЦИЯ

В  работе  представлены  результаты  исследования  получения  высокотеплопроводной  керамики  из  коммерческого  порошка  нитрида  алюминия  и  оксида  иттрия  в  качестве  спекающей  добавки.  Определено  оптимальное  содержание  оксида  иттрия.  Проведены  исследования  теплофизических  и  диэлектрических  свойств  полученной  керамики,  структуры  методами  XRD,  SEM. 

ABSTRACT

The  work  presents  research  results  of  the  obtaining  of  the  highly  commercial  ceramic  powder  of  aluminum  nitride  and  yttrium  oxide  as  a  sintering  additive.  The  optimum  content  of  yttrium  oxide.  Investigations  of  thermal  and  dielectric  properties  of  the  resulting  ceramic  structure  by  XRD,  SEM.  The  work  was  received  with  a  ceramic  thermal  conductivity  160  W  /  m  K.

Ключевые  слова:  Нитрид  алюминия,  теплопроводность,  спекание,  подложки,  диэлектрические  свойства  керамики.

Keywords:  Aluminum  nitride,  thermal  conductivity,  sintering,  the  substrate,  the  dielectric  properties  of  the  ceramic.

Работа  выполнена  при  финансовой  поддержке  Министерства  образования  и  науки  РФ  ГЗ  «Наука»  3.3055.2011

В  настоящее  время  вся  керамика  с  высокой  теплопроводностью,  как  AlN,  так  и  ВеО,  поставляется  в  Россию  только  по  импорту.  Поэтому  проблема  получения  высокотеплопроводной  керамики  на  основе  нитрида  алюминия  является  актуальной  и  своевременной,  кроме  того,  керамика  из  нитрида  алюминия  по  коэффициенту  теплового  расширения  ближе  к  кремнию  и  арсениду  галлия,  материалам,  составляющим  основу  большинства  кристаллов,  применяемых  в  электронике,  что  делает  эту  керамику  ещё  более  востребованной.

Керамика  на  основе  нитрида  алюминия  (AlN)  с  высокой  теплопроводностью  предназначена  для  использования  в  электронике  и  электротехнике,  в  первую  очередь,  в  качестве  материала  подложек  мощных  силовых  и  СВЧ  полупроводниковых  приборов  (диодов,  транзисторов,  тиристоров),  микросхем,  микросборок  и  многокристальных  модулей,  термомодулей  и  подложек  мощных  светодиодов,  а  также  других  компонентов  и  устройств,  где  требуются  высокие  диэлектрические  характеристики,  прочность  и  теплопроводность  материала.

В  работе  были  использованы  порошки  нитрида  алюминия,  для  снижения  температуры  спекания  нитрида  алюминия  вводили  порошок  оксида  иттрия  разного  гранулометрического  состава  и  нанопорошок.  Все  перечисленные  материалы  производства  Германии.

По  данным  рентгенофазового  анализа,  выполненного  на  дифрактометре  Shimadzu  XRD-7000,  нитрид  алюминия  представлен  единственной  фазой,  как  и  порошки  оксида  иттрия.

По  данным  растровой  электронной  микроскопии  порошка  нитрида  алюминия,  сделанной  на  микроскопе  JSM  7500FA,  частицы  представлены  агрегатами  неправильной  обломочной  формы  рисунок  1  [5].  Микронные  порошки  оксида  иттрия  представлены  чешуйками,  а  нанопорошки  имеют  сферическую  форму.  Данные  электронной  микроскопии  подтверждаются  данными  лазерной  гранулометрии,  полученной  на  лазерном  дифракционном  анализаторе  размеров  частиц  SALD  7101,  и  представлены  в  таблице  1.

Рисунок  1.  Микрофотографии  порошка  нитрида  алюминия  а)  ×20000;  б)  ×500

Нанопорошок  оксида  иттрия  по  данным  микроскопии  представлен  агломератами.  Такая  агломерация  характерна  для  многих  нанопорошков.

Рисунок  2.  Микрофотографии  микронного  порошка  оксида  иттрия  производства

Таблица  1. 

Данные  лазерной  гранулометрии  исходных  порошков

Для  разрушения  агломератов  применяли  механическое  и  УЗ  воздействие.  Механическое  разрушение  агломератов  проводили  в  шаровой  мельнице  в  среде  растворителя.  Разрушение  агломератов  проводили  при  воздействии  УЗ  и  механически  (в  шаровой  мельнице),  полученные  данные  показывают  изменение  гранулометрического  состава.  При  применении  УЗ  происходит  значительное  увеличение  количества  мелкой  фракции  для  всех  порошков.  Формование  изделий  вели  методом  шликерного  литья  на  основу  на  лабораторной  литьевой  машине  CAM-L252  TB  производства  фирмы  KEKO  Equipment  Словения. 

Спекание  образцов  проводили  в  высокотемпературной  печи  в  среде  азота.  Для  снижения  влияния  образующихся  в  печи  градиентов  температур  и  защиты  образцов  использовали  короба  из  нитрида  бора  с  притёртыми  крышками.

Применение  спекающей  добавки  обусловлено  высокими  температурами  спекания  нитрида  алюминия  и  очищением  кристаллической  решетки  от  примесей  кислорода,  который  и  является  основным  препятствием  для  достижения  высокой  теплопроводности  A1N  [2].

После  спекания  полученные  образцы  исследовали:  определяли  усадку,  плотность,  пористость,  водопоглощение,  теплопроводность,  микроструктуру.  Теплопроводность  определяли  методом  лазерной  вспышки  на  установке  LFA  427.

На  рис.2  представлены  микрофотографии  полученной  керамики.

Рисунок  2.  Микрофотографии  керамики  а)  с  применением  микронных  порошков  оксида  иттрия,  б)  с  применением  наноразмерных  порошков  оксида  иттрия

Полученная  керамика  имеет  различие  в  строении  и  свойствах.  Это  объясняется  различием  гранулометрического  состава  спекающей  добавки.  Керамика  с  применением  в  качестве  спекающей  добавки  микронный  порошок  оксида  иттрия  имеет  хорошую  плотность,  низкое  водопоглощение,  и  достаточно  высокую  теплопроводность  (таблица  2).  На  микрофотографиях  видны  области  с  очень  крупными  включениями  частичек  оксида  иттрия  (рисунок  2а)  и  неравномерность  распределения  спекающей  добавки,  размер  зерна  спекающей  добавки  достигает  10  мкм.  Керамика  с  применением  нанопорошка  оксида  иттрия  в  качестве  спекающей  добавки  имеет  отличную  микроструктуру  (рисунок  2б),  распределение  спекающей  добавки  более  равномерное,  средний  размер  зерна  спекающей  добавки  от  1  до  2  мкм,  свойства  керамики  выше,  чем  при  использовании  микронных  порошков. 

Таблица  2.

Характеристики  полученной  керамики

Список  литературы:

1.Дитц  А.А.,  Земницкая  А.Ю.,  Ларина  К.В.,  Борискин  С.А.  Влияние  предистории  получения  материалов  нитрида  алюминия  на  свойства  керамики//  Известия  вузов.  Физика.  —  2012  —  Т.  55  —  №  5/2  —  C.  105—109.

2.Дитц  А.А.,  Митина  Н.А.,  Земницкая  А.Ю.,  Пестрецова  Н.Е.,  Ларина  К.В.  Получение  высокотеплопроводных  материалов  из  нитрида  алюминия//  Известия  вузов.  Физика.  —  2012  —  Т.  55  —  №  5/2  —  C.  110—113.

3.Омурбекова  К.Р.,  Дитц  А.А.,  Волкова  А.В.,  Применение  нанопорошков  при  производстве  высокотеплопроводной  керамики  //Современные  техника  и  технология.  2013.

4.Самсонов  Г.В.  Нитриды.  Киев:  Наукова  думка,  1969.  —  380  с. 

5.Cronin  D.J.  and  K.A.  McMarlin,  “Tape  Casting  of  Dielectric  Substrates”;  pp.  1963-72  in  Ceramic  Today-Tomorrow’s  Ceramic.  Edited  by  P.  Vincenzini.  Elsevier  Science  Publishers  B.V.,  Amsterdam,  1991.