泰美克:提高氧化铝陶瓷热导率的几个要点

导热陶瓷有许多重要应用,其中用量最大也最受关注的莫过于陶瓷封装基板。尤其是随着电子器件精密程度的增加,元件的散热问题也开始变得棘手,因此对陶瓷基板的要求也变得更加苛刻。

氧化铝导热基板
能够用于导热的陶瓷材料被成为导热陶瓷材料,主要包括SiC、AIN、BeO、Al2O3等。其中SiC虽然具有较为优良的导热性以及热膨胀系数,但SiC有半导性,绝缘电阻小;AIN的粉体制备工艺复杂难以掌握,烧结也比较困难,整体成本较高;BeO陶瓷原材料价格昂贵,且BeO粉末具有毒性(但制品无毒)不容易被接受。
而Al2O3陶瓷是目前人类研究最透彻,应用最广泛的陶瓷材料,具有力学性能优异、抗腐蚀、耐磨性好、储量丰富、价格低廉等优点,在高端行业的关键器件中处处可见其身影。然而Al2O3陶瓷的导热性能在一众导热陶瓷中并不出众,尽管出色的性价比让它能够长期活跃在导热陶瓷领域中,但面对日益苛刻的导热要求,Al2O3陶瓷必须要最大限度地“榨出”潜能,使制品热导率持续接近其理论值,才可持久发展下去。
泰美克成立于1996年,专注于硬脆材料精密、精细加工。借助精湛的研磨、抛光等加工技术,可对陶瓷基板材料进行单、双面研磨、抛光加工,可获得优异的TTV、WARP,表面粗糙度可达到Ra:0.03-0.05μm,无孔洞现象,可应用于体积小、精度要求高、布线密度高的相关产品。
影响材料热导率的原因及解决方法
对绝缘陶瓷材料来说,声子的传播决定了材料的热导率。声子类似于点阵波,与光同样具有波动性,因此它在绝缘陶瓷材料内部的传递会与光具有相同之处。光在陶瓷材料中传播的阻碍主要为杂质、气孔和晶界对光的吸收和散射,那么热的传递也应如此,主要体现在材料的孔隙率、晶界、点缺陷、杂质等对声子传播的影响。
热量在陶瓷材料表面、晶界、气孔以及杂质中的传递过程模拟图
以上的几个参数,其实都和陶瓷的制备工艺有着非常紧密的关系。而在陶瓷材料的制备过程中,原料粉体的制备是非常重要的一个环节,可以说它们直接决定了陶瓷成品的性能。因此要提高陶瓷导热性能,必须要研究清楚原料对相关性能的影响机制。以下就从几个影响陶瓷导热性能的主要因素出发,分析原料对其的影响。
①致密度
致密度对陶瓷材料的性能有着直接显著的影响,对于导热性能来说,陶瓷材料的致密度越高其导热性能越好,主要体现在材料的低气孔率,即气孔越少,声子传播的阻力越小,陶瓷材料的导热性能越好。Zivcova等用淀粉作成孔剂制备了不同气孔率的氧化铝陶瓷材料,探究了气孔率对氧化铝陶瓷热导率的影响,实验表明,在相同温度下,气孔率越大热导率越低。
目前行业内一般会采用球形度高的氧化铝粉体作为原料。曾有研究员使用片状氧化铝粉体进行干压成型和烧结后,制备出互锁多孔结构的氧化铝陶瓷,其密度为0.920g/cm³,气孔率达到了76.34%,显然不适合作为导热陶瓷使用。而球形粉体具有更高的流动性,会对后续的成型和烧结会产生积极的影响,比如说LiuF等就在5.5GPa和900℃的高压环境下采用球形氧化铝粉体成功制备出了高致密度且近乎透明的氧化铝陶瓷。若原始粉体球形度不足时,也可以加入粘结剂对粉末进行造粒,形成类球状的形貌,同样能有效提高陶瓷的致密度。

类球形氧化铝和片状氧化铝
但球形度到位后也要注意粉末的粒度分布。JMa等对此进行了研究,他们将烧结分为初、中、后期三个阶段,较宽粒度分布的粉体因提高了生坯的密度所以在烧结初期可使陶瓷的致密化速率加快,除此之外,在烧结中期,宽粒度分布的粉体提高了晶粒生长的速率,材料中的封闭隔离孔被嵌入较大的颗粒状基体中,因此具有更好的烧结性,而且有助于在烧结后期保持较高的烧结速度。但是较宽的粒度分布会导致材料局部颗粒的堆积而产生致密化的差异,甚至在超过一定的粒度分布时,烧结体的晶粒尺寸会过大,孔结构变粗。
②杂质
陶瓷材料的导热性能受杂质含量的影响很大,主要分为两种形式,一是粉体原料的纯度;二是在烧结过程中所添加的烧结助剂。
陶瓷原料的纯度指的是材料中主要成分占总成分的百分含量。陶瓷粉体中或多或少都会含有杂质,这些杂质包括一些氧化物或金属离子,以及一些杂相。例如,氧化铝中的杂质往往为制备过程中的粉尘、大颗粒异物、设备加工带入的金属杂质等。除此之外,还包括一些杂相,比如结构疏松的β-Al2O3、γ-Al2O3,若其存在会影响材料成型之后的密度,从而影响导热性能。另外,氧化铝陶瓷粉体中还会存在一些杂质离子,如Na+、K+、Mg+和Ca2+等,它们的存在会加强粒子对声子的散射、增加声子传播自由程,使材料的热导率降低。
在陶瓷材料的烧结工艺中,加入烧结助剂是为了降低陶瓷材料的烧结温度,防止因晶粒的急剧长大而导致的晶粒尺寸不均匀以及减少材料的气孔率,这对提高陶瓷材料的致密度有很大作用。但同时也相当于引入了杂质,可能会对其导热性能产生不利的影响。
但这不代表烧结助剂不该加,主要得看最终效果。比如说AlN在Y2O3烧结助剂作用下,经过1800℃煅烧后,热导率还比较低,因为其晶粒和晶界间还存在少量氧元素和烧结助剂引入的杂质元素,当在N2气氛1900℃煅烧100h后,晶粒与晶界中的氧含量减少,晶界中的杂质元素消失,AlN热导率提升至272W/(m·K),这表明烧结助剂的加入是为了减少AlN中存在的氧原子,从而减少其中存在的杂质,提高热导率。
③晶粒尺寸
声子传播的过程中会受到各方面因素的影响,而这其中,晶粒尺寸对材料的导热系数影响也很大,Pabst等采用两步相混合建模的方法计算了纯氧化铝-氧化锆陶瓷材料不同晶粒尺寸的热导率,并与实验所得的结果进行了对比。
他们得出:材料的实际热导率要比理论计算得出的要低,是因为陶瓷中存在纳米级别的孔隙率,造成了热导率的差异,而不仅仅是晶粒尺寸的问题。由此可见,晶粒尺寸决定了孔隙的尺寸,如果晶粒尺寸处于纳米级别,材料中会出现极难消除的纳米级孔隙,这是无法避免的,因为通过任何手段都无法达成致密度100%的陶瓷材料,只有尽可能降低材料的孔隙率,所以,初步得出纳米级别的晶粒尺寸可以提高陶瓷材料的热导率。
但是从另一方面分析,晶粒越细小,材料的晶界越多,增大了晶界对声子散射的强度,降低材料的导热性能,例如单晶氧化铝与多晶氧化铝的导热性能差异(如下图)。所以,陶瓷的晶粒尺寸对其热导率的影响还需要更多的研究。
单晶和多晶氧化铝的热导率比较

总结
总的来说,提高氧化铝粉体的性能会对其陶瓷制品的烧结和导热性产生积极的影响。除此之外,选择合适的成型烧结方式也非常重要。

“引才大使”“科技副总”,这两家鲁企人才招引有新招
大众日报记者 张春晓

这两年,山东对人才的吸引力日益增强,“双一流”高校优选生来鲁就业人员大幅增加,各类人才更加看好山东发展,齐鲁大地正成为人才翘楚施展才华、创新创造的沃土。
2月7日,山东省2022年工作动员大会在济南举行。与以往的“开年大会”比较,这次大会强调,要把创新摆在发展全局的核心位置,持续增强经济社会发展创新力,重点抓好“十大创新”。其中,人才引育创新是重要内容。招才引才有哪些实招新招,请看这两家鲁企——

“科技副总”带来了什么
淄博:一名“副总”对接一所高校链接一个平台
□ 本报记者 张春晓
本报通讯员 邵长龙
自从被选聘为山东慧科助剂股份有限公司的“科技副总”,李德刚每周要拿出两天时间“靠”到企业这边。“现在,公司上下没有不认识的,谁擅长干啥心里也有数。”李德刚笑言。
李德刚是山东理工大学化学化工学院教授,他的到来,让慧科公司董事长唐守余尝到了实实在在的甜头:“李教授团队研发的新型分子筛技术达到国际先进水平,我们利用这一技术开发出PVC复合助剂,年产达2万吨。去年这一新产品销售额达到3000万元。”
选聘一名“科技副总”=?淄博市的答案是:对接了一所高校,链接了一个平台。
近两年,淄博市创新选聘高校学者到企业担任“科技副总”,搭建校企嵌入式合作平台,让更多人才走进企业、助力产业、建功立业。
淄博市委人才办按照征求企业需求、开展匹配对接、任前集中培训、实地合作对接、派驻企业工作、年度综合评价等6个环节,从市内外高校选聘博士或副高级以上职称专家担任企业“科技副总”,建立双向选择、自主评价、补贴激励、试用退出于一体的完整链条。
担任“科技副总”和过去跟企业的合作有什么不同?“从以往单纯为企业解决技术难题,转变为对企业研发方向、产业项目等方面有了决策权。举一个小例子,过去我是‘接’企业的研发项目,现在我能‘批’项目,把研发项目交给合适的科研人员做。”李德刚说,慧科公司PVC复合助剂这条生产线,从布局到找人找市场,都是由他来主导。这一技术项目,还获得了山东省科技进步三等奖。
为健全完善激励机制,淄博市鼓励企业为“科技副总”通过科研项目合作、技术入股等形式,提供兼职报酬,同时企业为每名“科技副总”按月提供不少于1000元的交通补贴。对评估优秀的“科技副总”,市财政给予3万元奖励,并优先推荐申报重点人才工程、重点研发计划等。
目前,已有来自同济大学、天津大学、山东理工大学等10余所高校的363名人才,履新淄博市有关企业的“科技副总”岗位,帮助企业解决技术难题260余项,转化成果130余项,148名“科技副总”担任“大学生工作团”团长,带领1500余名大学生来淄体验。
聘“引才大使” 搭招引桥梁
山东人才集团:“四张图”找到人才招引“新大陆”
□ 本报记者 张春晓
本报通讯员 王本江
近日,泰安市泰山区向山东人才集团提出3家高科技企业的5位高层次人才需求。不到1天时间,由山东大学教授张祯滨等“引才大使”推荐的高层次人才已有6人。
作为全国首家省级人才集团,山东人才集团发挥市场机制优势,秉持开放交流引才理念,创新以才引才模式,面向全球招募“引才大使”,扩大人才“朋友圈”,高效汇聚人才。去年12月底,首批聘任62位“引才大使”,其中海外人才15位,省外人才23位,省内人才24位,覆盖山东“十强”产业各领域。
为山东和兑智能科技有限公司对接广西大学郑含博教授;为山东聚鑫集团钢结构有限公司精准对接同济大学,先后帮助引进陈涛教授“新型墙板体系装配式钢-混凝土组合结构项目”和朱鹏教授“工业化装配式H型钢梁结构项目”……因为引才精准“对路”,山东文衡科技股份有限公司董事长夏傲福,成为山东人才集团首批聘任的“引才大使”之一。“聘任到位后,人才集团根据我们的引才优势领域、区域进行了分类,迅速建立了联络群和联络专员队伍,形成彼此之间的联络机制,人才集团也会及时发布省内引才需求,跟进我们牵线的合作项目。”夏傲福说。
“如果人才招引还沿用‘老地图’,就找不到‘新大陆’。”山东人才集团党委书记、董事长王卫中表示,着力让“引才大使”在更大范围更深层次发挥引才作用,人才集团紧紧扭住人才数据这个“牛鼻子”,搭建智慧人才云平台,汇聚人才数据3000多万条、企业园区数据4000多万条、专利成果数据4000多万条、人才政策数据3万多条、需求数据4万多条。“通过设计人才地图、产业地图、政策地图、科创地图,创新数据应用,让‘引才大使’在社会‘大场景’中找准人才、企业需求‘小切口’中服务人才。”王卫中说。
为激发“引才大使”的积极性,人才集团还建立激励保障措施,明确“引才大使”的职责任务,提出日常工作经费和引才奖励相结合,其中,给予引才大使每年工作经费1万元,额外协商确定引才活动经费补贴,推荐的人才被聘用或项目成果落地的,按照推介服务费的50%给予“引才大使”奖励。

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