氮化鋁陶瓷的溼法成型工藝

氮化鋁陶瓷具有優良的絕緣性、導熱性、耐高溫性、耐腐蝕性以及與硅的熱膨脹係數相匹配等優點,成為新一代大規模集成電路、半導體模塊電路及大功率器件的理想散熱和封裝材料。成型工藝是陶瓷製備的關鍵技術,是提高產品性能和降低生產成本的重要環節之一。

隨著工業技術的高速發展,傳統的成型方法已難以滿足人們對陶瓷材料在性能和形狀方面的要求。陶瓷的溼法成型近年來成為研究的重點,因為溼法成型具有工藝簡單、生產效率高、成本低和可製備複雜形狀製品等優點,易於工業化推廣。

溼法成型包括流延成型、注漿成型、注射成型和注凝成型等。

1.氮化鋁陶瓷的流延成型

料漿均勻流到或塗到支撐板上,或用刀片均勻的刷到支撐面上,形成漿膜,經乾燥形成一定厚度的均勻的素坯膜的一種料漿成型方法。流延成型工藝包括漿料製備、流延成型、乾燥及基帶脫離等過程。

流延成型工藝流程圖

氮化鋁陶瓷的溼法成型工藝

溶劑和分散劑

高固相含量的流延漿料是流延成型製備高性能氮化鋁陶瓷的關鍵因素之一。溶劑和分散劑是高固相含量的流延漿料的關鍵。溶劑必須滿足以下條件:

(1)必須與其他添加成分相溶,如分散劑、粘結劑和增塑劑等;

(2)化學性質穩定,不與粉料發生化學反應;

(3)對粉料顆粒的潤溼性能好;

(4)易於揮發與燒除;

(5)使用安全、衛生且對環境汙染小。

常用有機溶劑與水的物理性質

氮化鋁陶瓷的溼法成型工藝

粘結劑和增塑劑

在流延漿料中加入粘結劑與增塑劑主要是為了提高薄片的強度和改善薄片的韌性及延展性。流延薄片在室溫下自然乾燥時,溶劑不斷揮發,粘結劑則能自身固化成三維網絡結構防止薄片中的顆粒沉降,並且賦予薄片一定的強度。增塑劑的引入保證了薄片的柔韌性,同時降低了粘結劑在室溫和較低溫度時的玻璃化轉變溫度。

流延成型的工藝特點:

優點:設備不太複雜,工藝穩定,可連續生產,效率高,自動化程度高,坯膜性能均一且易於控制, 適於製造各種超薄形陶瓷器件,氧化鋁陶瓷基片等。

缺點:坯體密度小,收縮性高。

2.氮化鋁陶瓷的注射成型

陶瓷注射成型技術(CIM)是一種製造複雜形狀陶瓷零部件的新興技術,在製備複雜小部件方面有著其不可比擬的獨特優勢。隨著近年來全球範圍內電子陶瓷產業化規模的不斷擴大,CIM 技術誘人的應用前景更值得期待。該工藝主要包括喂料製備、注射成型、脫脂和燒結。

氮化鋁陶瓷的溼法成型工藝

注射成型工藝流程圖

粘結劑

粘結劑是氮化鋁陶瓷粉末的載體,決定了喂料注射成形的流變性能和注射性能。良好的粘結劑可起到形狀維持的作用,且有效減少坯體變形和脫脂缺陷的產生。

陶瓷注射成型粘結劑須具備以下條件:

(1)流動特性好,注射成型黏度適中,且黏度隨溫度不能波動太大,以減少缺陷產生;

(2)對粉體的潤溼性和粘附作用好;

(3)具有高導熱性和低熱膨脹係數。

(4)一般由多組分有機物組成,單一有機粘結劑很難滿足流動性要求。

排膠工藝

由於注射成型坯體中有機物含量較高,排膠過快會造成坯體開裂、起泡、分層和變形,因此,如何快速高效排膠成為注射成型的一大難點。排膠工藝包括熱排膠和溶劑排膠。起初主要採用熱排膠,簡單地把有機物燒除,這種方式能耗高、時間長。為了提高排膠效率,一些學者探索了溶劑排膠的工藝。由於粘結劑中石蠟佔比重較大,溶劑排膠主要是將坯體中的石蠟溶解,其他粘結劑仍能維持坯體形狀。溶劑排膠結合熱工藝排膠可以大大縮短排膠時間。

注射成型的工藝特點:

(1)可近淨尺寸成型各種複雜形狀,很少(或無需)進行機械加工;

(2)成型產品生坯密度均勻,且表面光潔度及強度高;

(3)成型產品燒結體性能優異且一致性好;

(4)易於實現機械化和自動化生產,生產效率高。

3.氮化鋁陶瓷的注凝成型

該工藝的基本原理是在黏度低、固相含量高的料漿中加入有機單體,在催化劑和引發劑的作用下,使料漿中的有機單體交聯聚合形成三維網狀結構,使料漿原位固化成型,然後再進行脫模、乾燥、去除有機物、燒結,即可得到所需的陶瓷零件。

氮化鋁陶瓷的溼法成型工藝

注凝成型工藝流程圖

注凝成型的工藝特點:

坯體強度高、坯體整體均勻性好、可做近淨尺寸成型、適於製備複雜形狀陶瓷部件和工業化推廣、無排膠困難、成本低等。

目前流延成型和注射成型在製備氮化鋁陶瓷方面具有一定優勢,隨著科學技術的發展以及人們對環境汙染的重視,凝膠流延成型和注凝成型必然會取代上述兩種方法,成為氮化鋁陶瓷的主要生產方法,從而促進氮化鋁陶瓷的推廣與應用。


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