溶胶-凝胶法制备氮化铝AlN粉体

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国铝业股份有限公司郑州研究院 作者:马艳红

  AlN氮化铝是Ⅲ-V族半导体化合物, 其晶体是以[AlN4]四面体为结构单位的共价键化合物。25℃时晶格常数α0=3.1127,c0=4.9816,属六方晶系,如图1 所示。

  AlN材料具有热导率高(是Al2O3材料的8~10 倍) 、高温电绝缘性好、介电性能好、热膨胀系数低(4.4 ×10 - 6 ℃- 1 ) ,与单晶硅相近,比Al2O3 ,BeO还要低,耐热冲击电阻高、高温下材料强度大、硬度高、无毒等优异的性能,从而在诸多领域中得到广泛应用。

AlN晶胞结构图

图1  AlN晶胞结构图

  在国际上用于混合集成电路(HIC)、微波集成电路(MIC)、电力电子模块(GTRM、IGBTM)、激光二极管(LD)、坩埚、刀具材料等领域。尤其是它的热膨胀与半导体硅材料相匹配并且无毒性、是较
理想的电子半导体封装所用的支撑散热材料,以取代BeO 等毒性大的材料,被认为是下一代半导体基片和电子器件封装的理想材料。目前AlN的合成方法主要有以下几种: 铝粉直接氮化法、碳热还原法、气相反应法、裂解法、等离子体法、电弧熔炼法、自蔓延高温合成法、微波合成法,前两种方法已经应用于工业化大规模生产,其中铝粉直接氮化法为强放热反应,反应不易控制,反应过程中放出的大量热易使铝形成融块,造成反应不完全,难以制备高纯度、细粒度的产品。相比较而言,碳热还原法制备的氮化铝粉末纯度高、性能稳定、粉末粒度细小均匀、成形和烧结性能良好。而在制备氮化铝前驱体时溶胶-凝胶法又以成分易分布均匀、颗粒细小胜过固相混合法。

  本文采用溶胶-凝胶工艺,以铝盐与有机碳源混合,在一定温度及PH值下凝胶化,在高温下,干凝胶中的铝盐与有机碳源均发生化学分解,从而可以制备出分子水平均匀的铝源与碳源的混合物,由于分解后铝源与碳源均为非常细小的颗粒,同时混合的非常均匀,因此可以在较低的温度下发生氮化反应,具有制备工艺简单,氮化温度低,AlN转化率高,无杂相,含氮量高等特点。

1、实验

1.1、实验原料

  硝酸铝、有机碳、聚乙二醇、尿素、氨水均为分析纯。

1.2、实验仪器

  冷冻干燥机,DTY21SL型(北京古生代粉体科技有限公司);真空碳管炉,定做;脱碳炉,KSY-12-16型(上海电炉厂) 。

1.3、实验方法

  首先将硝酸铝、有机碳、聚乙二醇等置于烧杯中,其中硝酸铝与有机碳源的摩尔比为3,聚乙二醇的加入量为总量的5 ‰,然后加入去离子水溶解,将烧杯放入75℃恒温水浴锅中,加入一定量的尿素,边搅拌边滴加稀氨水溶液以获得氧化铝溶胶体,然后升高温度蒸发掉大部分的水分,得到的凝胶体进行冷冻干燥,形成AlN 前驱体,将其放入密闭的真空碳管炉中,边抽真空边升温,使前驱体中的有机物在无氧存在的情况下逐渐脱去水并炭化,与氢氧铝分解生成的氧化铝形成混合均匀且疏松多孔的物质,通过控制氮气流速及不断升温,最终在1550℃氮化得到含碳的AlN ,然后用脱碳炉于还原气氛下800 ℃脱碳,即得到AlN 粉体,然后对样品做粒度、XRD、SEM 等检测其物理化学性能。

1.4、分析仪器

  扫描电子显微镜(J SM - 6360LV 日本电子公司) 、X2射线仪(X’Pert MPD Pro 日本电子公司) ,激光粒度分析仪等。

1.5、实验过程

  实验过程中所发生的化学反应如下:在溶胶-凝胶阶段,主要发生尿素的水解反应与铝盐的水解反应:

  从式(1)~式(4) 可以看出,尿素热分解的过程就是形成氢氧化铝的过程,同时溶解在水中的有机化合物被均匀地固定在了氢氧化铝周围。在烧结阶段主要发生铝胶与有机物的分解反应如式(5),式(6),其中式(6)为不完全的氧化反应,可以生成很多种化合物,诸如短链的烷烃等。经过烧结,在溶胶-凝胶阶段固化在凝胶中的有机化合物变成了很细小的单质碳。

2、实验结果与讨论

2.1、XRD分析

  图2 为AlN 样品的XRD 分析图,从图2 可以看出几乎没有杂相,衍射峰较尖锐,说明AlN 粉体的纯度已经很高,并且结晶完整,碳也被脱除干净。

氮化铝XRD分析

图2  氮化铝XRD分析

2.2、SEM分析

  图3 是氮化铝粉末放大2000倍的电镜照片,从图中可以看出,由这种工艺所制备的AlN粉体粒度均匀,没有大团聚,比较松散。图4 是氮化铝粉末放大5000倍的电镜照片,从图中可以看出,氮化铝单晶粒度小于1μm。

AlN 粉末放大2000倍的电镜照片氮化铝粉末放大5000倍电镜照片

图3  AlN 粉末放大2000倍的电镜照片图4  氮化铝粉末放大5000倍电镜照片

3、结论

  本方法是一种很好的制备AlN粉体的方法,用这种方法制备AlN粉体具有以下优点:

  (1) 氮化温度低,较氧化铝与碳粉混合还原法约低100℃;

  (2) AlN纯度高,杂相少,基本所有的氧化铝都转变成了AlN。

  (3) 晶粒细小,为亚微米级。

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