Реферат

Выпускная квалификационная работа изложена на 84 страницах, 31 рисунках, 22 таблиц, 38 источников литературы.

Ключевые слова: нитрид алюминия, оксид иттрия, гранулят, прессование, теплопроводность.

Данная работа посвящена получению высокотеплопроводной керамики на основе нитрида алюминия способом прессование из гранулята и исследованию её основных физических свойств.

Объектом исследования является гранулят из нитрида алюминия, используемый для создания высокотеплопроводной керамики.

Цель работы – разработка состава и технологии получения керамики с высокой теплопроводностью на основе нитрида алюминия методом прессования из гранулята.

В работе представлены результаты исследований по разработке технологии получения гранулята и высокотеплопроводной керамики из порошка нитрида алюминия и спекающей добавки оксида иттрия. Предложена принципиальная схема получения гранулята на парафиновой связке. Исследованы его технологические свойства. Определено влияние параметров формования на свойства прессовок и спеченной керамики. Проведены исследования свойств полученной керамики, структуры методами XRD, SEM.

Керамические объемные изделия из нитрид алюминия широко применяются в силовой электротехнике, при изготовлении силовых модулей (IGBT, FRD и т. д.) как прижимной так и паяной конструкции.

Степень внедрения результаты НИР, получен лабораторный образец гранулята и изделия из него методом прессования.

В будущем планируется постановка на производства разработанной технологии на базе ЗАО «НЭВЗ - Керамикс» в Новосибирске.

Определения

1. Прессование – процесс обработки материалов давлением, производимый с целью увеличения плотности, изменения формы, разделения фаз материала, для изменения механических или иных его свойств.

2. Брикетирование – это процесс сжатия под высоким давлением сырья какого – либо типа с целью образования брикетов.

3. Гранулирование – это совокупность физико-химических и физико-механических процессов, обеспечивающих формирование частиц определенных размеров, формы, структуры и физических свойств.

4. Окатыванием (грануляцией) называется операция укрупнения мелких фракций, концентратов и порошков, при которой материал скатывается в шаровидные почти геометрически правильные прочные окатыши (гранулы), сохраняющие свою форму и размеры при дальнейшей переработке.

5. Удельная поверхность — усреднённая характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела или частиц раздробленной фазы дисперсной системы.

6. Гранулометрический состав – это характеристика распределения частиц порошка по размерам, которая показывает из частиц какого размера и в каких долях составлена данная партия порошка.

7. Пикнометрическая плотность – плотность частицы порошка, учитывающая наличие в частицах порошка примесей, закрытой пористости, дефектности кристаллической решетки и другие факторы.

8. Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.).

Оглавление

Введение

Комплекс уникальных свойств, которыми обладает нитрид алюминия, в сочетании с не токсичностью и относительной дешевизной получения позволяет ему и материалам на его основе находить новые и расширять известные области применения. Нитридная керамика является высокоперспективным материалом для применения в различных областях от производства машин и инструмента до микроэлектроники. Керамика на основе нитрида алюминия призвана заменить керамику из оксида бериллия ВеО, поскольку исходные порошки ВеО крайне токсичны и оказывают вредное действие как на организм человека (канцерогенное действие), так и на окружающую среду. 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. К тому же, керамика из нитрида алюминия по коэффициенту теплового расширения ближе к кремнию и арсениду галлия, основа большинства кристаллов, применяемых в электронике, чем керамика из оксида бериллия [1].

Объект исследования – порошок нитрида алюминия для производства высокотеплопроводной керамики.

Предмет исследования – технология получения гранулята на основе порошка нитрида алюминия и высокотеплопроводной керамики методом прессования.

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.

Глава 1 Литературный обзор

1.1 Нитрид алюминия

Нитрид алюминия обладает целым комплексом ценных свойств, которые могут быть востребованы в различных отраслях науки и техники.

Основные свойства:

- Хорошие диэлектрические свойства.

- Высокая теплопроводность.

- Низкий коэффициент теплового расширение, близкое по значению к оксиду кремния.

- Не реагирует с обычными химикатами и газами, используемыми в промышленности полупроводников

1.1.1 Структура и физические свойства нитрида алюминия

Нитрид алюминия – бесцветные кристаллы с гексагональной решеткой типа вюрцита, плотность 3,26 г/см3.

Нитрид алюминия – (главным образом) материал с ковалентными связями, имеющий гексагональную кристаллическую структуру, которая является аналогом структуры сульфида цинка, известной как вюрцит. Пространственная группа симметрии для этой структуры – P63mc.

Порошкообразный нитрид алюминия обычно бело-серого цвета, монокристаллы водянисто-белого цвета (прозрачны). Данные по температуре плавления нитрид алюминия весьма разноречивы (от 2000 до 25000С), что вполне обоснованно, так как нитрид алюминия разлагается на компоненты до достижения температуры плавления. Твердость по минералогической шкале Мооса определена также в широком интервале (от 5 до 9–10 единиц), твердость по Кнупу (микротвердость при нагрузке 100г) в среднем составляет около 1200 кг/мм2 [3]. Температурная зависимость электросопротивления типична для полупроводников и диэлектриков, рассчитанная ширина запрещенной зоны нитрида алюминия равна ∆E=4,26 эВ.

Физические свойства нитрида алюминия показывают, что нитрид алюминия является типичным диэлектриком с большой шириной запретной зоны, высоким электросопротивлением, доходящим до 1019 Ом·м. Ширина запрещенной зоны нитрида алюминия близка к зонам SiC и ZnO, имеющим сходную структуру и близкие значения показателей преломления (атомы Si могут замещать Al, а атомы С или О – атомы азота).

Тщательное исследование структуры нитрида алюминия показало, что структура нитрида алюминия отличается от идеальной структуры вюрцита, так как отношение с/а=1,600 вместо 1,633 и параметр U, определяющий расстояние Al–N вдоль тригональной оси, равен 0,385 вместо 0,375. Сжатие тетраэдра вдоль оси С в структуре нитрида алюминия приводит к некоторому искажению правильного тетраэдрического расположения связей Al–N. Увеличение значения параметра U указывает на то, что центр электронной плотности в каждом атоме не совпадает с центром тетраэдра, образованного его ближайшими соседями, и что атом смещен вдоль оси с к основанию тетраэдра на 0,005 нм. Следовательно, углы между связями Al–N колеблются от 107,7 до 110,5°, а расстояния Al–N - от 0,1885 до 0,1917нм [4].

В настоящее время нитрид алюминия в основном используется в электронике, где важен теплоотвод от электронных устройств. Этот материал интересен, благодаря своей нетоксичности в отличие от оксида бериллия. Новейшие способы металлизации позволяют использовать AlN взамен оксида алюминия или BeO для различных применений в электронике.