CC BY
38Решетневскуе чтения. 2017
УДК [546.62+546.17] :544.032.4
ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО НИТРИДА АЛЮМИНИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ AlN-КЕРАМИКИ МЕТОДОМ ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ*
И. В. Никитушкин1, А. А. Сивков2, А. С. Ивашутенко2
1АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56 «в» Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30 1E-mail: igor.nikitushkin@gmail.com
Представлены методики синтеза ультрадисперсного сырья и получения подложек из алюмонитридной керамики, являющейся перспективным диэлектрическим материалом теплонагруженных микросборок для изделий ракетно-космической техники.
Ключевые слова: плазмодинамический синтез, искровое плазменное спекание, алюмонитридная керамика, толстопленочная технология.
PLASMODYNAMIC SYNTHESIS OF ULTRADISPERSE ALUMINUM NITRIDE AND PRODUCTION
OF AlN-CERAMICS BY METHOD OF SPARK PLASMA SINTERING
I. V. Nikitushkin1, A. A. Sivkov2, A. S. Ivashutenko2
1JSC "Research and Production Center "Polus" 56v, Kirova Av., Tomsk, 634050, Russian Federation
2National Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 1E-mail: igor.nikitushkin@gmail.com
The article focuses on methods to synthesize ultra-dispersed raw materials and obtaine substrates from aluminum-nitride ceramics; that is a promising dielectric material of heat-loaded microassemblies for rocket-space equipment.
Keywords: plasmodynamic synthesis, SPS, spark plasma sintering, aluminum nitride ceramics, thick-film technology.
В настоящее время основным диэлектрическим материалом, применяемым в качестве теплопроводя-щих диэлектрических подложек в изделиях ракетно-космической техники является алюмооксидная керамика с коэффициентом теплопроводности до 30 Вт/(м-К). Вместе с тем миниатюризация и повышение удельной мощности изделий обуславливают создание новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Благодаря высокой теплопроводности, составляющей до 200 Вт/(м-К), наиболее перспективным теплопроводящим диэлектрическим материалом является алюмонитридная керамика, которая обладает необходимым для микроэлектроники набором физико-механических свойств: большой теплопроводностью, близким к кремнию температурным коэффициентом линейного расширения, хорошей совместимостью с размерной лазерной обработкой. Кроме того, она нетоксична при изготовлении и обработке алмазным инструментом в отличие от керамики из оксида бериллия [1].
Основными причинами, препятствующими широкому внедрению алюмонитридной керамики, являются низкое качество сырья (дисперсного нитрида алюминия) и недостатки классического метода изготов-
ления керамики. Распространенные способы производства дисперсного нитрида алюминия (самораспространяющийся высокотемпературный синтез, плазмо-химия, электровзрыв) характеризуются большой длительностью и многостадийностью физико-химических процессов, протекающих при сверхвысоких температурах и давлениях. Получаемый продукт требует очистки от различных примесей и отличается нестабильным поликристаллическим строением частиц произвольных неправильных форм с очень широким распределением по размерам. При классическом методе шликерного литья при производстве керамики в исходный порошковый материал вводятся добавки для и снижения температуры спекания, а также пластификаторы. Для спекания алюмонитридной керамики дополнительно требуется введение формирующих аморфную стеклофазу и раскисляющих добавок [2], а сам процесс рекристаллизации и удаления растворенного в решетке кислорода сопровождается длительным высокотемпературным отжигом [3].
Оксид иттрия - наиболее распространенная добавка при спекании нитрида алюминия и согласно литературным данным [4; 5] вводится в исходный шликер в количестве 4-7 %.
*Работа выполнена в рамках гранта № 15-19-00049 Российского научного фонда и программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Фактически такая керамика не является в чистом виде алюмонитридной, так как изначально уже содержит, как минимум, 4-7 % добавок и значительное количество аморфной стеклофазы. Раскисляющие примеси в алюмонитридной керамике, с одной стороны, позволяют добиться высокого коэффициента теплопроводности - до 200 Вт/(м-К) и плотности до 99,8 % (по кристаллическому нитриду алюминия), но с другой - затрудняют применение толстопленочной технологии, которая является ключевой при формировании многослойного проводящего рисунка на поверхности керамической подложки [1].
Один из важнейших факторов чистоты высокодисперсных порошков, и в частности нитрида алюминия - нанокристаллическое строение частиц, исключающее загрязнение веществами межзеренных границ. Такие порошки можно получать методом прямого плазмодинамического синтеза в сверхзвуковой струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем [6].
Для снижения времени и температуры спекания применен инновационный метод искрового плазменного спекания на оборудовании SPS 10-4 производства GT Advanced Technologies (США), представляющий собой горячее прессование, основанное на генерировании высокотемпературной искровой плазмы в промежутках между частицами порошка, образующейся под воздействием электрического разряда большой мощности. При этом методе поверхность частиц порошка очищается и активируется, а перенос материала происходит как на микро-, так и на макроуровне, вследствие чего получается высококачественный компакт со свойствами, отличными от традиционного способа горячего прессования. Благодаря высокой скорости протекания процесса спекания значительно замедлен рост зерен, а время изготовления керамического изделия сокращается до 10-30 мин [7].
В ходе исследований разработана и реализована в лабораторных условиях плазмодинамическая система на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя с алюминиевым электродом, которая позволяет реализовать процесс синтеза материала при токах дугового разряда в несколько десятков килоампер, мощности до сотен мегаватт свободным истечением сверхзвуковой струи алюминийсодержащей электроразрядной плазмы при ее воздействии на твердую преграду и встречном взаимодействии двух сверхзвуковых плазменных струй. Также показана возможность реализации полного цикла получения AlN-керамики с высокими физико-механическими свойствами, состоящего из этапа синтеза дисперсного сырья выше обозначенным методом и этапа его компакти-рования методом искрового плазменного спекания без использования добавок и пластификаторов.
Полученные образцы AlN-керамики характеризуются коэффициентом теплопроводности не ниже 160 Вт/(м-К), пределом прочности до 10 ГПа и плотностью до 99,9 %.
Исследования показали перспективность использования полученной AlN-керамики в качестве материала для изготовления подложек керамических плат микроэлектроники. Доказана возможность формирования многослойного проводящего рисунка на поверхности подложки из полученной AlN-керамики по толстопленочной технологии с использованием проводящих и диэлектрических паст, применяемых при работе с алюмооксидной керамикой.
Библиографические ссылки
1. Aluminum Nitride vs. Beryllium Oxide for High Power Resistor Products / M. Kettner [et. al] // Microwave Journal. 2001. November 1.
2. Пат. 4952535 США, C 04 B 35/00, заявл. 28.08.1990.
3. A Description of Microstructure Applied to the Thermal Conductivity of AIN Substrate Materials / S. Ruckmich [et al] // Journal of the European Ceramic Society. 1991. Vol. 7; № 5 (335). P. 335-341.
4. Непочатов Ю., Земницкая А., Муль П. Разработка керамики на основе нитрида алюминия для изделий электронной техники // Современная электроника. 2011. № 9. С. 14-16.
5. Пат. 2144010 Рос. Федерация, C 04 B 35/581, заявл. 20.02.1998 ; опубл. 10.01.2000.
6. Пат. 2431947 Рос. Федерация, H 05 H 11/00, F 41 B 6/00. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель / А. А. Сивков, А. Я. Пак ; заявл. 30.04.2010 ; опубл. 20.10.2011.
7. Tokita M. Trends in Advanced SPS Spark Plasma Sintering and Technology // Japanese Society of Powder Technology. 1993. Vol. 30. P. 790-804.
References
1. Aluminum Nitride vs. Beryllium Oxide for High Power Resistor Products / M. Kettner [et. al] // Microwave Journal. 2001. November 1.
2. Pat. 4952535 USA, C 04 B 35/00, Date of Patent 28.08.1990.
3. A Description of Microstructure Applied to the Thermal Conductivity of AIN Substrate Materials / S. Ruckmich [et al] // Journal of the European Ceramic Society. 1991. Vol. 7; № 5 (335). P. 335-341.
4. Nepochatov Y., Zemnitskaya A., Mul' P. Razra-botka keramiki na osnove nitrida alyuminiya dlya izdeliy elektronnoy tekhniki // Sovremennaya elektronika. 2011. № 9. S. 14-16.
5. Pat. 2144010 RF, C 04 B 35/581, zayavl. 20.02.1998; opubl. 10.01.2000.
6. Pat. 2431947 RF, H 05 H 11/00, F 41 B 6/00. Koaksial'nyy magnitoplazmennyy uskoritel' / A. A. Sivkov, A. Ya. Pak. Zayavl. 30.04.2010; opubl. 20.10.2011.
7. Tokita M. Trends in Advanced SPS Spark Plasma Sintering and Technology // Japanese Society of Powder Technology. 1993. Vol. 30. P. 790-804.
© Никитушкин И. В., Сивков А. А., Ивашутенко А. С., 2017
