高压烧结聚晶立方氮化硼导热陶瓷

摘要

本文的研究目的是探索制备电子封装用高导热陶瓷基板的新方法。在对理论和应用现状充分调研的基础上，提出以立方氮化硼（cubic Boron Nitride，cBN）为实验原材料，采用高压烧结制备聚晶立方氮化硼（Polycrystalline cubic Boron Nitride，PcBN）导热陶瓷的实验方案。实验采用六面顶大腔体压机为高压烧结的实验平台。为此，借助热电偶测温法和金属熔点法，首先较准确地标定了六面顶压机腔体温度和压力。设计了合理的高压烧结条件以及粉料预处理和组装方式，在6GPa、1500℃条件下成功烧结了PcBN陶瓷。
　　对高压制备的PcBN陶瓷进行了密度、SEM、XRD、抗弯强度、线膨胀系数和热导率测量，综合分析得到的研究结论如下：
　　1.在cBN原料中适量添加金属Al和Co，可以极大程度地提高PcBN陶瓷内部晶粒之间的粘合。添加金属Cu的效果完全相反，表明Cu对于PcBN的高压烧结而言，不是一种有效的助烧剂；
　　2.不添加任何金属助烧剂的纯PcBN陶瓷，线膨胀系数对cBN颗粒粒度存在一定的依赖关系，晶粒越小，线膨胀系数越大，但是总体上与Si的是基本匹配的。添加适量金属Al和Co，PcBN陶瓷的线膨胀系数不再与cBN颗粒粒度相关，而且测量值与Si的线膨胀系数有极好的一致性；
　　3.纯PcBN陶瓷的热导率在40-60W/mK之间，并且随粒度的增大而减小，当cBN粒度小于10，PcBN的热导率在总体趋势上符合Goldsmidt-Penn-Parrott模型的预言。添加金属Al和Co的PcBN陶瓷的热导率达到了100W/mK之上，符合高导热陶瓷对热导率的要求。同时也说明适量的助烧剂可以使PcBN陶瓷具备高热导率；
　　本文借助高压设施，在极短时间内实现了cBN晶体粉末的烧结，克服了传统的陶瓷烧结工艺的缺点，同时也提高了烧结效率。制备的PcBN陶瓷，无论从热导率、线膨胀系数还是抗弯强度等指标衡量，都达到了电子封装对于陶瓷基板材料的要求。进一步调整cBN粒度和助烧剂，以及以hBN为原材料制备PcBN高导热陶瓷，是今后进一步研究的方向。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热传导的理论基础

1.3 陶瓷型导热材料的研究现状简述

1.4 本文的目的、研究方案和内容

第2章 六面顶压机腔体温度和压力的标定

2.1 大腔体六面顶压机简介

2.2 温度和压力的标定方法

2.3 温度的标定实验及其结果

2.4 压力的标定实验及其结果

2.5 小结

第3章 聚晶立方氮化硼陶瓷的高压烧结实验

3.1 原料和预处理

3.2 聚晶立方氮化硼陶瓷的高压烧结方法

3.3 烧结体的加工和检测方案

第4章 聚晶立方氮化硼陶瓷性能的检测和分析

4.1 密度测量结果

4.2 XRD检测数据和物相分析

4.3 SEM检测和对比分析

4.4 抗弯强度的检测结果和分析

4.5 热导率和线膨胀检测结果和分析

4.6 小结

第5章 结论和展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位相关的科研成果目录