轻质、高导热AlN/CBC复合材料的结构优化及金属化机理研究

With the development of microelectronics industry device miniaturization and densification, the heat dissipation device must have high thermal conductivity, low density and high corrosion resistance. The AlN reinforced carbon composites (AlN/CBC) have potential application value in the microelectronics field. The reasonable microstructure structures are the premise of high thermal conductivity, and the surface metallization, which can be connected with other materials, is the key factor of being introduced into the microelectronics industry. In this project, AlN/CBC compostes are prepared by gel-casting and pressure less sintering. The design of microstructure of composites can be realized through the components adjustment and process optimization, and the effect of microstructure characterization on the heat conduction mechanism is studied. Moreover, through selecting the metal materials, the composites metallization can be realized by forming suitable reaction layer and joint intensity with high melting point metal method and reactive metal process, then the forming mechanism of metallization is studied. This project provides scientific evidence of the preparation and metallization of ceramic materials with high thermal conductivity.

微电子技术行业器件的微型化及密集化发展趋势，要求其散热器件具有高导热、轻质、耐蚀等特点。氮化铝增强碳复合材料(AlN/CBC)，兼具两者的优点，在微电子领域具有潜在的应用价值。复合材料合理的显微组织结构是获得高导热性能的前提，表面金属化实现与其它材料连接是将其引入微电子技术行业的关键。本项目采用凝胶注模及无压烧结方法，制备AlN/CBC复合材料。通过组分调整与工艺优化，进行复合材料的显微组织结构设计，研究复合材料的导热机理。利用复合材料的特点，筛选合适的金属材料体系，分别采用高熔点金属法与活性金属法，通过形成适当的反应层，获得适中的金属化层接合强度，实现复合材料的金属化，研究金属化层的形成机理。本项目的研究可以为具有优异导热性能的散热器件用陶瓷材料的制备及金属化提供科学依据。

氮化铝增强碳复合材料（AlN/CBC）具有轻质、高导热及耐蚀等性能特点，可满足微电子行业的散热器件微型化及密集化的发展趋势，复合材料的显微结构优化及表面金属化是其获得广泛应用的关键。. 项目首先采用硬脂酸及吐温80对AlN粉体进行了表面抗水化处理，研究了硬脂酸的改性机理。硬脂酸在AlN表面形成一层保护膜，吐温80可以提高粉末在水中的润湿性、分散性及悬浮性，二者有效提高AlN抗水解能力。以表面改性AlN粉及C粉为原料，Y2O3+CaF2为复合烧结助剂，利用凝胶注模及无压烧结方法，制备了AlN陶瓷及AlN/CBC复合材料。对环保型凝胶体系进行了探索，研究了不同凝胶体系的浆料流变性及固化机理。相比于壳聚糖及明胶体系，采用琼脂糖体系制备的AlN/CBC复合材料性能相对较高。以琼脂糖为凝胶体系，通过组分调整与工艺优化，进行AlN/CBC复合材料的显微组织结构设计，探讨了烧结温度、原料比例及烧结助剂含量对复合材料热学、力学性能及显微组织结构的影响规律，研究了烧结助剂的作用机理、复合材料的致密化机理及导热机制。Y2O3+CaF2复合烧结助剂可降低烧结温度，促进复合材料的致密化进程。烧结温度升高、烧结助剂含量适中、C加入比例减少有利于复合材料的致密度及导热性能升高。复合材料内部的气孔、晶间相含量、位错、AlN与C之间的界面结构、AlN晶粒大小等因素对复合材料的热导率有较大影响。. 采用凝胶注模及无压烧结法制备的AlN/CBC复合材料力学性能略低以及W粉的烧结活性差，致使在后期进行复合材料的金属化时，存在困难。采用高熔点金属法进行复合材料的表面金属化过程中，烧结工艺的优化、在W粉中掺入过渡金属元素以提高W粉的烧结活性是实现AlN/CBC复合材料的表面金属化的关键。