[go: up one dir, main page]

RU2032642C1 - Mixture for articles of aluminium nitride having high heat conductivity and method for their production - Google Patents

Mixture for articles of aluminium nitride having high heat conductivity and method for their production Download PDF

Info

Publication number
RU2032642C1
RU2032642C1 SU5041033A RU2032642C1 RU 2032642 C1 RU2032642 C1 RU 2032642C1 SU 5041033 A SU5041033 A SU 5041033A RU 2032642 C1 RU2032642 C1 RU 2032642C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mixture
articles
carbon
products
firing
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
И.Г. Кузнецова
В.А. Ильенко
Ю.А. Горелов
А.А. Кореньков
П.Ф. Лясота
М.Д. Бершадская
Э.Е. Неделько
Original Assignee
Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева filed Critical Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева
Priority to SU5041033 priority Critical patent/RU2032642C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2032642C1 publication Critical patent/RU2032642C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: production of ceramic articles. SUBSTANCE: proposed mixture contains powder of aluminium nitride, yttrium oxide, boron oxide and carbon. Heat conductivity of articles being manufactured of said mixture is 150-200 Wt/m K. Proposed method for desired article production involves mixing components, their dry grinding, formation of half-finished article followed by their calcination. The latter process is carried out at atmospheric pressure at 1750-1840 C. EFFECT: improves quality of desired articles, improves efficiency of the method. 5 cl, 4 tbl

Description

Изобретение относится к составу шихты и способу получения высокотеплопроводных изделий из AlN, которые могут быть использованы в различных областях техники, например в качестве подложек радиосхем, термостойких электроизоляторов, теплоотводов в приборах взамен токсичного оксида бериллия, который обладает высокой теплопроводностью до 260 Вт/мК [1]
В современной технике в различных устройствах широкое применение находят вакуумно-плотные керамические материалы [2] Для достижения вакуумной плотности керамических материалов из оксидной керамики их водопоглощение не должно превышать 0,02%
Такие материалы должны выдерживать многократное термоциклирование без потери вакуумной плотности, что обеспечивается согласованием КТР образующих керамический материал фаз и другими факторами [3]
Для получения изделий из AlN, обладающих вакуумной плотностью и высокой теплопроводностью, хорошими диэлектрическими свойствами, важен выбор шихты и способ изготовления изделий из этой шихты. Сочетание высокого уровня теплопроводности керамических изделий с высокой производительностью, доступностью, простотой, экологической чистотой технологического процесса обеспечивает шихта, содержащая углерод.
The invention relates to a charge composition and a method for producing highly thermally conductive products from AlN, which can be used in various fields of technology, for example, as substrates for radio circuits, heat-resistant electrical insulators, heat sinks in devices instead of toxic beryllium oxide, which has high thermal conductivity up to 260 W / mK [1 ]
Vacuum-dense ceramic materials are widely used in modern technology in various devices [2] To achieve the vacuum density of ceramic materials from oxide ceramics, their water absorption should not exceed 0.02%
Such materials must withstand repeated thermal cycling without loss of vacuum density, which is ensured by the coordination of the thermal expansion coefficients of the phases forming the ceramic material and other factors [3]
To obtain products from AlN with vacuum density and high thermal conductivity, good dielectric properties, the choice of a charge and the method of manufacturing products from this charge are important. The combination of a high level of thermal conductivity of ceramic products with high performance, availability, simplicity, environmental cleanliness of the process provides a mixture containing carbon.

Наиболее близкими к предлагаемому являются шихта и способ получения теплопроводных изделий из AlN, выбранный с качестве прототипа [4]
Шихта содержит нитрид алюминия, оксид иттрия и углерод. Углерод содержится в шихте в виде графита или углеродсодержащего органического материала, термически разлагающегося при 50.1000оС, Y2O3 в виде оксида иттрия. Для такой шихты разработан способ для ее реализации. Смесь готовят различными методами, но предпочтительно мокрое измельчение в жидкой среде (гептане, гексане или трихлорэтилене) при комнатной температуре. Полученную смесь сушат на воздухе, затем из нее формуют заготовки при комнатной температуре. Заготовки нагревают в неокислительной азотсодержащей атмосфере в интервале от 1350оС до температуры, обеспечивающей получение деоксидированного материала. Спекание осуществляют при температуре не менее 1830оС с получением поликристаллической керамики. Если используют углеродсодержащий органический материал, то после формования проводят дополнительно прокаливание при 1200оС.
Closest to the proposed are a mixture and a method of producing heat-conducting products from AlN, selected as a prototype [4]
The mixture contains aluminum nitride, yttrium oxide and carbon. Carbon is contained in the charge in the form of graphite or carbon-containing organic material, thermally decomposed at 50.1000 о С, Y 2 O 3 in the form of yttrium oxide. For such a charge, a method has been developed for its implementation. The mixture is prepared by various methods, but preferably wet grinding in a liquid medium (heptane, hexane or trichlorethylene) at room temperature. The resulting mixture was dried in air, then blanks were formed from it at room temperature. Billets are heated in a nitrogen containing non-oxidizing atmosphere in the range of from 1350 ° C to a temperature that ensures obtaining deoksidirovannogo material. Sintering is carried out at a temperature of at least 1830 about With obtaining polycrystalline ceramics. If a carbon-containing organic material, molding is carried out after further calcining at 1200 ° C.

Коэффициент теплопроводности полученных изделий превышает 100 Вт/м.К (122.130 Вт/м.К). The thermal conductivity coefficient of the obtained products exceeds 100 W / m.K (122.130 W / m.K).

Недостатком известного состава шихты и способа [4] является сравнительно высокая пористость изделий до 10% об (водопоглощение более 0,02%), не обеспечивающая вакуумную плотность. Способ усложняет ступенчатый обжиг заготовок при высокой температуре спекания (выше 1830оС).A disadvantage of the known composition of the charge and method [4] is the relatively high porosity of the products up to 10% vol (water absorption of more than 0.02%), which does not provide vacuum density. A method complicates stage firing of blanks at a high sintering temperature (above 1830 C).

Задачей изобретения является уменьшение открытой пористости (водопоглощения) изделий, достижения их вакуумной плотности при сохранении высокой теплопроводности изделий, снижение температуры спекания при одновременном упрощении технологии. The objective of the invention is to reduce the open porosity (water absorption) of the product, achieve their vacuum density while maintaining high thermal conductivity of the product, lower sintering temperature while simplifying the technology.

Поставленная цель достигается за счет того, что шихта для изготовления высокотеплопроводных изделий из AlN дополнительно содержит кислородсодержащее соединение бора (оксид, борная кислота или пентаборат аммония) при следующем соотношении компонентов, мас. Y2O3 1,5.3,0
Кислородсодер-
жащее соедине-
ние бора (в перес- чете на В2О3) 0,45.0,9 Углерод 0,15.0,5 AlN Остальное
Способ изготовления изделий из данной шихты включает смешивание исходного порошка AlN с углеродом, оксидом иттрия и кислородсодержащим соединением бора при сухом помоле, спекание сформованных методом полусухого прессования заготовок при 1750.1840оС в неокислительной азотсодержащей атмосфере. Дополнительный эффект при обжиге достигается при использовании вместо молибденовых пластин засыпки, содержащей порошок AlN (50.95 мас.) и порошок BN (5.50 мас.).
This goal is achieved due to the fact that the mixture for the manufacture of highly thermally conductive products from AlN additionally contains an oxygen-containing boron compound (oxide, boric acid or ammonium pentaborate) in the following ratio of components, wt. Y 2 O 3 1.5.3.0
Oxygen-Soder
live joint
boron (in terms of В 2 О 3 ) 0.45.0.9 Carbon 0.15.0.5 AlN Else
Method of manufacture of products from a given batch comprises mixing the starting powder with the AlN carbon, yttrium oxide and oxygen-containing boron compound in the dry grinding, sintering the molded by dry pressing at 1750.1840 blanks C in a nitrogen containing non-oxidizing atmosphere. An additional effect during firing is achieved when using instead of molybdenum plates, a backfill containing AlN powder (50.95 wt.) And BN powder (5.50 wt.).

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

При температуре около 1583оС оксид бора (борная кислота и пентаборат аммония при обжиге переходят в оксид бора) образует с оксидом иттрия расплав в виде бората иттрия, который входит в состав жидкой фазы, способствующей спеканию AlN до вакуумной плотности.At a temperature of about 1583 C. Boron oxide (boric acid, ammonium pentaborate proceeds during firing in the boron oxide) forms a melt with yttria as yttrium borate which is a part of the liquid phase promotes sintering of AlN to vacuum density.

Углерод, содержащийся в шихте, восстанавливает борат иттрия при температуре выше 1700оС по реакции:
2YBO3 + 3C + N2->>2BN + Y2O3 + 3CO
Кроме того, углерод восстанавливает до AlN часть оксида алюминия, который в качестве примеси присутствует в исходном порошке AlN и является источником кислорода. Углерод способствует удалению бората иттрия ("стеклофазы"), уменьшению содержания второй фазы и повышает таким образом теплопроводность материала. Образующийся нитрид бора не снижает теплопроводность изделий из AlN.
The carbon contained in the mixture, restores yttrium borate at a temperature above 1700 about With the reaction:
2YBO 3 + 3C + N 2 - >> 2BN + Y 2 O 3 + 3CO
In addition, carbon reduces to AlN a part of alumina, which is present as an impurity in the initial AlN powder and is an oxygen source. Carbon helps to remove yttrium borate ("glass phase"), reduce the content of the second phase, and thus increase the thermal conductivity of the material. The resulting boron nitride does not reduce the thermal conductivity of AlN products.

Нижний предел температуры обжига (1750оС) обусловлен процессом взаимодействия углерода с боратом иттрия, так как при температуре обжига ниже 1750оС скорость реакции мала. Верхний предел температуры обжига (1840оС) обусловлен тем, что температура обжига выше 1840оС не дает дополнительного эффекта для уплотнения изделий.The lower limit of the firing temperature (1750 ° C) due to the process of interaction with carbon yttrium borate, since the firing temperature lower than 1750 ° C the reaction rate is small. The upper limit of the firing temperature (1840 ° C) due to the fact that the calcination temperature is higher than 1840 ° C provide no additional effect for product densification.

Нижний предел добавки оксида иттрия (1,5 мас.) объясняется тем, что при обжиге образуется количество расплава, недостаточное для полного удаления пор, таким образом, не происходит спекание изделий до высокой плотности и получение высокотеплопроводного материала. Нижний предел В2О3 связан с минимальным количеством добавки Y2O3 и также не оказывает существенного влияния на снижение пористости и повышение теплопроводности изделий.The lower limit of the addition of yttrium oxide (1.5 wt.) Is explained by the fact that upon firing an amount of melt is formed that is insufficient to completely remove the pores, thus, the products are not sintered to a high density and a highly conductive material is obtained. The lower limit of B 2 O 3 is associated with a minimum amount of Y 2 O 3 additive and also does not have a significant effect on reducing porosity and increasing the thermal conductivity of products.

Верхний предел добавки Y2O3 объясняется тем, что образуется большое количество второй фазы в керамике, что ведет к снижению теплопроводности материала. Верхний предел добавки В2О3 связан с максимальным количеством добавки Y2O3, увеличение количества В2О3 ведет к деформации изделий при обжиге.The upper limit of the Y 2 O 3 additive is explained by the fact that a large amount of the second phase is formed in the ceramic, which leads to a decrease in the thermal conductivity of the material. The upper limit of the additive In 2 About 3 is associated with the maximum amount of additive Y 2 O 3 , an increase in the amount of In 2 About 3 leads to deformation of the products during firing.

Нижний и верхний пределы содержания углерода объясняются тем, что соответствующее количество углерода взаимо- действует с боратом иттрия и примесью Al2O3, восстанавливая их до нитридов бора и алюминия.The lower and upper limits of the carbon content are explained by the fact that the corresponding amount of carbon interacts with yttrium borate and Al 2 O 3 impurity, reducing them to boron and aluminum nitrides.

Нижний предел BN в засыпке обусловлен тем, что уменьшение содержания нитрида бора в засыпке не дает дополнительного эффекта при обжиге изделий из AlN. Верхний предел BN в засыпке обусловлен деформацией изделий из AlN при обжиге. The lower limit of BN in the backfill is due to the fact that a decrease in the content of boron nitride in the backfill does not give an additional effect when firing AlN products. The upper limit of BN in the backfill is due to the deformation of AlN products during firing.

П p и м е p. Способ изготовления изделий из указанной шихты включает помол исходного порошка AlN с выбранными добавками сухим способом, спекание сформованных заготовок при атмосферном давлении в неокислительной среде в одну стадию при 1750.1840оС между пластинами из AlN без засыпки или в засыпке. Дополнительный эффект достигают при использовании засыпки, содержащей порошок AlN (50.95 мас.) и порошок BN (5.50 мас.).P p and m p. A process of manufacturing products from said raw batch comprises grinding AlN powder with selected additives by dry method, sintering the molded preforms under atmospheric pressure in a non-oxidizing environment in one step at 1750.1840 C between the plates of AlN without filling or filling. An additional effect is achieved by using a backfill containing AlN powder (50.95 wt.) And BN powder (5.50 wt.).

В табл. 1 приведены примеры опытных составов шихты и свойства изделий, изготовленных по предлагаемому способу. In the table. 1 shows examples of experimental compositions of the charge and properties of products manufactured by the proposed method.

В табл.2 и 3 даны опробованные варианты технологических условий получения изделий из опытных составов шихты и свойства этих изделий. Tables 2 and 3 give tested variants of technological conditions for obtaining products from experimental compositions of the charge and the properties of these products.

В табл.4 приведены примеры опытных составов засыпки и свойства изделий, обожженных в этой засыпке. Table 4 shows examples of the experimental compositions of the backfill and the properties of products calcined in this backfill.

Пpедлагаемый состав шихты более эффективен чем известный, так как позволяет получить вакуумно-плотные высокотеплопроводные изделия при пониженных температурах обжига. The proposed composition of the charge is more effective than the known, as it allows you to get a vacuum-dense highly conductive products at low firing temperatures.

Предлагаемый способ изготовления вакуумноплотных высокотеплопроводных изделий отличается простотой, доступностью, экологической чистотой технологического процесса. The proposed method for the manufacture of vacuum-tight highly conductive products is simple, affordable, environmental cleanliness of the process.

Полученный материал имеет плотность 3,25-3,27 г/см3, теплопроводность 180-190 Вт/м˙К и может быть использован в электронной, радиотехнической и других областях техники в качестве вакуумно-пплотных теплопроводных деталей, подложек интегральных схем и т.д.The resulting material has a density of 3.25-3.27 g / cm 3 , thermal conductivity 180-190 W / m˙K and can be used in electronic, radio engineering and other fields of technology as vacuum-tight heat-conducting parts, substrates of integrated circuits, etc. .d.

Claims (3)

1. Шихта для высокотеплопроводных изделий из нитрида алюминия, включающая порошки нитрида алюминия, оксида иттрия и углерод, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кислородсодержащее соединение бора при следующем соотношении компонентов, мас. 1. The mixture for highly conductive products of aluminum nitride, including powders of aluminum nitride, yttrium oxide and carbon, characterized in that it further comprises an oxygen-containing boron compound in the following ratio of components, wt. Оксид иттрия 1,5 3,0
Углерод 0,15 0,5
Кислородсодержащее соединение бора (в пересчете на B2O3) 0,45 0,9
Нитрид алюминия Остальное
2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что кислородсодержащее соединение бора представляет собой оксид, борную кислоту или пентаборат аммония.
Yttrium oxide 1.5 3.0
Carbon 0.15 0.5
Oxygen-containing boron compound (in terms of B 2 O 3 ) 0.45 0.9
Aluminum nitride Else
2. The mixture according to claim 1, characterized in that the oxygen-containing boron compound is an oxide, boric acid or ammonium pentaborate.
3. Способ изготовления высокотеплопроводных изделий из шихты на основе нитрида алюминия, включающий смешивание компонентов при сухом измельчении, формование заготовок и их обжиг при атмосферном давлении, отличающийся тем, что обжиг проводят при 1750 1840oС.3. A method of manufacturing a highly thermally conductive products from a mixture based on aluminum nitride, including mixing the components during dry grinding, forming blanks and firing them at atmospheric pressure, characterized in that the firing is carried out at 1750 1840 o C. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что обжиг ведут в засыпке состава, мас. 4. The method according to claim 3, characterized in that the firing is carried out in the backfill composition, wt. Нитрид алюминия 50 95
Нитрид бора 5 50
Aluminum nitride 50 95
Boron Nitride 5 50
SU5041033 1992-05-06 1992-05-06 Mixture for articles of aluminium nitride having high heat conductivity and method for their production RU2032642C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5041033 RU2032642C1 (en) 1992-05-06 1992-05-06 Mixture for articles of aluminium nitride having high heat conductivity and method for their production

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5041033 RU2032642C1 (en) 1992-05-06 1992-05-06 Mixture for articles of aluminium nitride having high heat conductivity and method for their production

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2032642C1 true RU2032642C1 (en) 1995-04-10

Family

ID=21603656

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5041033 RU2032642C1 (en) 1992-05-06 1992-05-06 Mixture for articles of aluminium nitride having high heat conductivity and method for their production

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2032642C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2144010C1 (en) * 1998-02-20 2000-01-10 Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Method of manufacture of aluminium nitride-based heat-conducting ceramics
RU2193543C2 (en) * 1996-12-27 2002-11-27 Онера (Оффис Насьональ Д'Этюд Э Де Решерш Аэроспасьяль) Method of manufacturing caked structured ceramic product from aluminum nitride

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. 1985, СИМТ-8, N 2, 547. *
2. Батчгин В.Н. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами. М.: Энергия, 1973, с.408. *
3. Патент США N 4578364, кл. C 04B 35/58, 1989. *
4. Патент США N 4897372, кл. C 04B 35/58, опублик. 1990. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2193543C2 (en) * 1996-12-27 2002-11-27 Онера (Оффис Насьональ Д'Этюд Э Де Решерш Аэроспасьяль) Method of manufacturing caked structured ceramic product from aluminum nitride
RU2144010C1 (en) * 1998-02-20 2000-01-10 Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Method of manufacture of aluminium nitride-based heat-conducting ceramics

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4354991A (en) Dense sintered silicon carbide ceramic
CA2189516A1 (en) Sintering alpha silicon carbide powder with multiple sintering aids
JPS6353151B2 (en)
KR960006248B1 (en) Aluminum nitride sintered body and its manufacturing method
US4539298A (en) Highly heat-conductive ceramic material
US5482905A (en) Aluminum nitride sintered body and method of producing the same
JPS63277567A (en) Sintered aluminum nitride having high thermal conductivity
RU2032642C1 (en) Mixture for articles of aluminium nitride having high heat conductivity and method for their production
JPS621346B2 (en)
JPH0627034B2 (en) Method for manufacturing aluminum nitride sintered body
JPH0196067A (en) Production of aluminum nitride sintered body
JPS638069B2 (en)
JPH0312363A (en) Aluminum nitride sintered body and its manufacturing method
JPH0567593B2 (en)
KR960001429B1 (en) Process for producing sintered bodies of aluminium nitromal
EP0260865A1 (en) Process for preparation of aluminium nitride sintered material
KR102626997B1 (en) Composition for manufacturing AlN ceramics including Sc2O3 as sintering aid and the AlN ceramics and the manufacturing method of the same
JP2876521B2 (en) Manufacturing method of aluminum nitride sintered body
JP2664063B2 (en) Aluminum nitride pre-sintered body, aluminum nitride sintered body, and method for producing them
JPH02279568A (en) Aluminum nitride sintered body and its manufacturing method
KR100310549B1 (en) Ceramic bodies, methods for manufacturing the same, and electrical members comprising the same
JPS61261270A (en) Manufacture of aluminum nitride sintered body
JPS62235262A (en) Manufacturing method of aluminum nitride sintered body
KR910005542B1 (en) The make method of aln powder
JP3834930B2 (en) Magnesium siliconitride sintered body and method for producing the same