掃描電鏡下的陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)

隨著新能源行業(yè)的發(fā)展，半導體器件在風力發(fā)電、電動汽車等新能源行業(yè)的應(yīng)用中占據(jù)日益重要的地位。半導體器件的功率和頻率更高，集成規(guī)模也越來越大。與傳統(tǒng)的樹脂基片材料相比，氮化鋁（AlN）陶瓷材料具有較大溫度范圍內(nèi)使用無異常、導熱系數(shù)高、硬度大、耐腐蝕等優(yōu)點，是優(yōu)質(zhì)半導體器件的最佳材料。AlN陶瓷材料可應(yīng)用到封裝體中以擴散熱量，降低器件的工作溫度，提高封裝體的使用性能和穩(wěn)定性。AlN是一種具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的III-V族強共價化合物，其結(jié)構(gòu)單位為[AlN4]四面體，即晶包中每個Al原子被4個N原子包圍，其晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。

AlN熔點高，原子自擴散系數(shù)小，因此，純凈的AlN粉末在通常的燒結(jié)溫度下很難燒結(jié)致密，而致密度不高的材料很難具有高的熱導率。因此，要制備高熱導率的AlN陶瓷，在燒結(jié)工藝中，需要解決兩個問題：一是提高材料致密度，二是盡量避免氧原子熔入AlN晶格中。最常見的AlN粉體燒結(jié)方式是無壓燒結(jié)。它是指正常壓力下，具有一定形狀的陶瓷素坯在高溫下經(jīng)過物理化學變化過程變?yōu)橹旅堋杂病Ⅲw積穩(wěn)定的、具有一定性能的燒結(jié)體過程。因此，陶瓷材料的燒結(jié)工藝直接影響陶瓷產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)，如晶粒尺寸與分布、氣孔率等參數(shù)進而影響陶瓷產(chǎn)品的使用性能。

隨著納米材料的興起，其較強的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)使得晶粒的表面能增加，燒結(jié)活性增強，從而可以顯著提高燒結(jié)速度，使微觀結(jié)構(gòu)均勻一致，極大改善材料的性能。比如摻入微量的Y₂O₃，在燒結(jié)過程中，可以有效地降低納米粉體的晶粒尺寸，并能改善粉末的分散度，降低燒結(jié)溫度，提高燒結(jié)速度，還可實現(xiàn)材料的近全致密化。

鈦酸鍶（SrTiO₃）陶瓷介電損耗小，熱穩(wěn)定性好，是一種優(yōu)良的電子陶瓷材料，廣泛應(yīng)用與高壓電容器、晶界層電容器、壓敏電阻、熱敏電阻等電子元件，具有高性能、高可靠性、體積小等優(yōu)點。SrTiO₃電子陶瓷一般是以固相法合成，經(jīng)燒結(jié)成型后所得，因此燒結(jié)工藝參數(shù)對陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)具有顯著影響，如燒結(jié)溫度對晶粒尺寸、相組成、氣孔的形貌和數(shù)量等，進一步影響材料的介電性能。過高的溫度使陶瓷晶粒過大、致密性差，還會促進二次結(jié)晶，材料的強度等性能降低，溫度較低則導致晶粒發(fā)育不完全。

參考文獻：