稀土/ALN/MAS微晶玻璃复合材料结构与性能的研究

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随着微电子技术的快速发展,对基板材料的性能如高热导率、低热膨胀系数、低介电常数和良好的热稳定性等,提出了更高的要求。近年来,以堇青石为主晶相的MgO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃由于具有优良的力学、电学、热膨胀性能和低烧特性而被认为是一种理想的基板材料。其不足之处是热导率较低。AlN陶瓷是一种优异的高热导率基板材料,具有低介电常数、低热膨胀系数的性能,但存在着成本高、烧结温度过高等问题,难以大规模生产。采用低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)通过制备MgO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃与AlN陶瓷的复合材料,可以获得具有优良综合性能的材料,以满足对基板材料的要求。   本文以烧结法制备了MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃,研究了热处理制度对微晶玻璃析晶的影响。并在此基础上制备了AlN/MAS微晶玻璃复合材料研究了烧结气氛、烧结温度、复合材料的组成对AlN/MAS微晶玻璃复合材料相组成、结构、致密度、热导率的影响。通过在AlN/MAS微晶玻璃复合材料中掺加稀土氧化物,进行了XRD、SEM、热导率、热膨胀系数、介电常数、介电损耗、抗折强度的测试,系统研究了不同含量的稀土氧化物Y2O3和La2O3对AlN/MAS微晶玻璃复合材料的相组成、微观结构、烧结性能、热学性能、介电性能和力学性能的影响规律。取得的主要研究成果如下:   1.通过设计MgO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃的化学组成和加入合适的添加剂,在热处理温度≤1000℃时制备了主晶相为α-堇青石的微晶玻璃。微晶玻璃的核化温度为820℃,保温2小时,晶化温度为1000℃,保温2小时,此时,该微晶玻璃的析晶情况良好。   2.将AlN和MAS玻璃在1000℃~1300℃进行烧结,复合材料中MAS微晶玻璃的主晶相仍为α-堇青石。在分别掺加Y2O3和La2O3后,复合材料的主晶相仍为α-堇青石和AlN晶体,没有出现新的晶相或发生晶型转变。   3.AlN/MAS微晶玻璃复合材料在1000℃~1300℃烧结后,致密度随AlN含量的增加总体上呈下降趋势。AlN/MAS微晶玻璃复合材料的致密度较低与AlN难以烧结和微晶玻璃析晶阻碍了液相烧结有关。复合材料的致密度随着Y2O3和La2O3含量的增加,出现了明显降低。在Y2O3含量为3.0wt%时,复合材料的致密度略有提高。   4.AlN/MAS微晶玻璃复合材料在1000℃和1200℃烧结后热导率均在AlN含量为20wt%时达到最大值。当Y2O3含量为3.0wt%时,复合材料的热导率出现最大值。复合材料的热导率随着La2O3含量的增加而降低。掺入Y2O3和La2O3后复合材料的热导率变化与其致密度大小大致相符。复合材料分别掺入Y2O3和La2O3后热膨胀系数均出现不同程度的减小。随着稀土氧化物含量的增加,复合材料的热膨胀系数增大。   5.复合材料的介电常数随着掺入的Y2O3含量的增加明显增大。复合材料的介电常数随着掺入的La2O3含量的增加而逐渐降低。随着测试频率的增大,复合材料的介电常数逐渐降低。复合材料介电损耗随着Y2O3和La2O3含量的增加而增大。   6.复合材料抗折强度随着Y2O3含量增加而逐渐降低。但当掺入La2O3含量为3.0wt%时,复合材料的抗折强度略有提高。掺入Y2O3和La2O3的复合材料的抗折强度大小与其致密度基本相符。   7.热压制备AlN/MAS微晶玻璃复合材料具有很高的致密度。复合材料的致密度随着AlN含量的增加而降低。复合材料的热导率随着AlN含量的增加而增大。
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