CN110697665A

CN110697665A - 一种氮化铝粉体的纯化方法、该方法制得的氮化铝粉体及其应用

Info

Publication number: CN110697665A
Application number: CN201911141996.7A
Authority: CN
Inventors: 韩耀; 王华栋; 吕毅; 赵英民; 张昊; 张天翔
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-01-17

Abstract

本发明涉及一种氮化铝粉体的纯化方法，包括：(1)将含有碳杂质的氮化铝粉体原料放入容器中，并容器置于烧结炉中，然后通过抽真空排出炉内杂质气体；(2)向烧结炉中通入二氧化碳气体，然后进行烧结处理，从而获得所述氮化铝粉体。本发明还涉及由所述方法制得的氮化铝粉体以及所述氮化铝粉体在氮化铝陶瓷制备中的应用。本发明方法突破传统排碳工艺的局限性，在不引入新的氧元素杂质条件下，除去氮化反应中未反应完全的碳杂质，获得高纯度的氮化铝粉体，其能够有效促进氮化铝陶瓷的烧结合成，最终有效提高氮化铝陶瓷产品的热导率等性能，因此在制造散热基片和电路基板尤其是大规模集成电路基板领域具有广阔的应用前景。

Description

一种氮化铝粉体的纯化方法、该方法制得的氮化铝粉体及其应用

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种氮化铝粉体的纯化方法、该方法制得的氮化铝粉体及其应用。

背景技术

氮化铝陶瓷由于具有高的理论热导率(319W/m/K)、低的介电常数、与硅材料相近的热膨胀系数、优异的电绝缘性、较高的机械强度、无毒性以及耐腐蚀等性能，受到了广泛关注，逐渐应用成为高密度封装用大规模集成电路基板和散热基片的首选材料。针对氮化铝陶瓷的烧结制备，作为最为关键的原材料，氮化铝粉体的纯度等特性对后续的成型和烧结影响很大，采用纯度高的粉体作为原料，能够有效提高氮化铝陶瓷产品的热导率等性能，从而促进其在基板材料等领域的应用。

目前，氮化铝粉体合成工艺中，碳热还原法合成的AlN粉体纯度高，成型和烧结性能优异，是目前工业化生产应用最广的方法。而由于制备工艺的限制，碳热还原过程中需要加入过量的碳源，从而促进氮化反应的顺利进行，这使得制备出的氮化铝粉体中不可避免的会引入碳杂质，粉体中碳杂质的存在会影响纯度及后续陶瓷的烧结过程，并最终影响产品的热导率。

当前，针对粉末中残留的碳杂质，较为常见的处理方法是将粉体在空气气氛下煅烧处理，例如，发明专利“一种基于碳热还原氮化制备γ-AlON陶瓷粉末的方法”(申请号200910061558.X)选择将含碳的AlON粉末置于空气中于500～650℃煅烧12小时，以除去混合粉末中的残留碳，达到提纯效果；发明专利“一种超细、高纯γ-AlON陶瓷粉末的纯化方法”(申请号201010190470.0)选择将所得产物粉末在空气中于650～700℃保温2～24小时，以除去残余碳。这种简单的除碳纯化工艺，一定范围下能够除去粉体中包含的多余碳，但是在空气气氛下，氮化铝粉末会与氧气产生一定程度的反应，使得除碳后的粉末中引入了氧杂质，由于氧化铝的热导率一般为30-40W/m/K，远远低于氮化铝陶瓷的理论热导率(319W/m/K)，因此氧杂质的存在会大幅降低氮化铝陶瓷产品的热导率，这种氮化铝粉体的纯化方法不利于粉体的生产推广。因此，目前迫切需要提供一种能够有效去除残余碳又能够不引入氧杂质的用于制备氮化铝粉体的方法。

发明内容

为了解决上述的一个或者多个技术问题，本发明在第一方面提供了一种氮化铝粉体的纯化方法，所述纯化方法包括如下步骤：

(1)将含有碳杂质的氮化铝粉体原料放入容器中，并容器置于烧结炉中，然后通过抽真空排出炉内杂质气体；

(2)向烧结炉中通入二氧化碳气体，然后进行烧结处理，从而获得所述氮化铝粉体。

本发明在第二方面提供了本发明第一方面所述方法制得的氮化铝粉体。

本发明在第三方面提供了本发明第二方面所述的氮化铝粉体在氮化铝陶瓷制备中的应用；优选的是，所述氮化铝陶瓷用于制造散热基片和电路基板尤其是集成电路基板。

与现有的碳热还原法制备氮化铝粉体的纯化工艺过程相比，本发明涉及的氮化铝粉体的纯化方法，能够突破传统排碳工艺的局限性，在不引入新的氧元素杂质条件下，除去氮化反应中未反应完全的碳杂质，获得高纯度的氮化铝粉体，高纯度的氮化铝粉体能够有效促进氮化铝陶瓷的烧结合成，最终有效提高氮化铝陶瓷产品的热导率等性能。

附图说明:

图1是实例1中氮化铝粉体未高纯化处理前的微观结构图。

图2是实例1中高纯化处理后的氮化铝粉体的微观结构图。

图3是实例1中高纯化处理后氮化铝粉末的物相分析图。

图4是对比例1中空气气氛处理后的氮化铝粉体的微观结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明在第一方面提供了一种氮化铝粉体的纯化方法，所述纯化方法包括如下步骤：

本发明的方法可以在不引入氧杂质的条件下，除去氮化铝粉末中的碳杂质，获得高纯度的氮化铝粉体。本发明采用二氧化碳还原工艺对碳热还原制备的氮化铝粉体进行纯化处理，二氧化碳与碳能够发生氧化还原反应，生成一氧化碳，且反应为可逆吸热反应，随着温度的升高，碳杂质和二氧化碳逐渐转化为一氧化碳，反应平衡向右移动。当反应温度高于700℃以上时，反应速度加快，有利于反应向生成一氧化碳方向进行。

本发明对步骤(1)中所述的容器没有特别限制，只要能够耐受本发明方法采用的烧结温度即可。但是，在一些优选的实施方式中，在步骤(1)中，所述容器为氮化硼坩埚或刚玉坩埚。

本发明对步骤(1)中所述的烧结炉没有特别限制，只要能够用来实施例所述烧结处理即可。但是，在另一些优选的实施方式中，所述烧结炉为管式烧结炉。

在另一些优选的实施方式中，通入二氧化碳气体时的气体流量范围为100～400ml/min，例如可以为200ml/min或300ml/min。优选的是，通入二氧化碳气体时的气体流量范围为100～200ml/min。

在另一些优选的实施方式中，所述烧结处理的烧结温度为700～1100℃，例如可以为800℃、900℃或1000℃。所述烧结处理的保温时间为1～6小时，例如可以为2、3、4、或5小时。在另一些优选的实施方式中，所述烧结处理的烧结温度为700～1000℃；所述烧结处理的保温时间为3～4小时。

在另一些优选的实施方式中，所述含有碳杂质的氮化铝粉体原料为碳热还原工艺制备的氮化铝粉体原料。碳热还原工艺制备的氮化铝粉体原料，其自身的残余碳杂质粒度较小，约为10μm以下，具有较高的反应活性，选用电阻管式炉作为粉体的纯化设备，通入二氧化碳反应气体，可在常压操作压力下进行烧结处理。

在另一些优选的实施方式中，以含有碳杂质的氮化铝粉体原料的总重量计，所述含有碳杂质的氮化铝粉体原料的碳杂质含量不低于1重量％，优选不低于2重量％，进一步优选不低于3.5％，又进一步优选为3.5重量％至6.0重量％。

优选的是，所述氮化铝粉体的含氧量为低于1.00重量％，更优选低于0.80重量％。进一步优先的是，所述氮化铝粉体的碳杂质含量为低于0.50重量％，更优选为低于0.40重量％。

在一些具体的实施方式中，所述纯化方法的步骤(1)可以通过如下方式进行：将碳热还原工艺制备的含有碳杂质的氮化铝粉体原料放入氮化硼坩埚中，并置于管式烧结炉中，抽真空，排出炉内多余的气体杂质。另外优选的是，所述纯化方法的步骤(2)可以通过如下方式进行：向管式烧结炉通入二氧化碳气体，流量范围为100～400ml/min，再将温度升温至700～1100℃，并在该温度范围内保温1～6小时，从而得到所述高纯度的氮化铝粉末产品。

实施例

下文将对本发明进行举例说明。但是，应当理解的是，这些实施例仅出于说明目的，本发明的保护范围不限于这些实施例。

实施例1

取碳热还原工艺制备的氮化铝粉体原料(含碳量3.5重量％)18g，放入氮化硼坩埚中，并将坩埚置于管式烧结炉中，抽真空，再通入二氧化碳气体，流量大小为200ml/min，再对管式炉进行加热，将炉温升至700℃，恒温后保温3小时，获得高纯度的氮化铝粉体产品。

经测定，所制得的氮化铝粉体产品的碳杂质含量经碳硫分析仪测定为0.028重量％。氧杂质含量经惰气脉冲红外热导法测定为0.63重量％，结果可以参见下表1。氮化铝粉体原料的微观结构如图1所示，纯化处理后的氮化铝粉体的微观结构如图2所示，高纯化处理后氮化铝粉末的物相分析如图3所示。

实施例2

取碳热还原工艺制备的氮化铝粉体原料(含碳量6.3重量％)33g，放入氮化硼坩埚中，并将坩埚置于管式烧结炉中，抽真空，再通入二氧化碳气体，流量大小为100ml/min，再对管式炉进行加热，将炉温升至1000℃，恒温后保温4小时，获得高纯度的氮化铝粉体产品。

经测定，所制得的氮化铝粉体产品的碳杂质含量经碳硫分析仪测定为0.035重量％。氧杂质含量经与实施例1相同的方法测定为0.76重量％。

实施例3

取碳热还原工艺制备的氮化铝粉体原料(含碳量5.8重量％)41g，放入氮化硼坩埚中，并将坩埚置于管式烧结炉中，抽真空，再通入二氧化碳气体，流量大小为150ml/min，再对管式炉进行加热，将炉温升至950℃，恒温后保温3.5小时，获得高纯度的氮化铝粉体产品。

经测定，所制得的氮化铝粉体产品的碳杂质含量经碳硫分析仪测定为0.031重量％。氧杂质含量经与实施例1相同的方法测定为0.66重量％。结果可以参见下表1。

对比例1

取碳热还原工艺制备的氮化铝粉体原料(含碳量3.5重量％)15g，放入刚玉坩埚中，并将坩埚置于空气气氛的管式烧结炉中，再对管式烧结炉进行加热，将炉温升至700℃，恒温后保温3小时，获得除碳后的氮化铝粉体产品。

所述氮化铝粉体原料进行空气气氛处理方法后，氮化铝粉体的碳杂质含量经碳硫分析仪测定为0.933重量％，，氧杂质含量经与实施例1相同的方法测定为1.26重量％，空气气氛排碳处理后的氮化铝粉体的微观结构如图4所示，SEM图中微小的颗粒为未反应的碳杂质颗粒，排碳效果较差。

表1.各实施例和对比例采用的粉体原料和所制得的粉体产品的杂质含量

注：粉体原料表示碳热还原工艺制备的氮化铝粉体原料；粉体产品表示最后制得的氮化铝粉体产品。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种氮化铝粉体的纯化方法，其特征在于，所述纯化方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的纯化方法，其特征在于：

在步骤(1)中，所述容器为氮化硼坩埚或刚玉坩埚。

3.根据权利要求1或2所述的纯化方法，其特征在于：

所述烧结炉为管式烧结炉。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的纯化方法，其特征在于：

通入二氧化碳气体时的气体流量范围为100～400ml/min。

5.根据权利要求4所述的纯化方法，其特征在于：

通入二氧化碳气体时的气体流量范围为100～200ml/min。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的纯化方法，其特征在于：

所述烧结处理的烧结温度为700～1100℃；所述烧结处理的保温时间为1～6小时。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的纯化方法，其特征在于：

所述烧结处理的烧结温度为700～1000℃；所述烧结处理的保温时间为3～4小时。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的纯化方法，其特征在于：

所述含有碳杂质的氮化铝粉体原料为碳热还原工艺制备的氮化铝粉体原料；

优选的是，以含有碳杂质的氮化铝粉体原料的总重量计，所述含有碳杂质的氮化铝粉体原料的碳杂质含量不低于1重量％，优选不低于2重量％，进一步优选不低于3.5％，又进一步优选为3.5重量％至6.0重量％。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的氮化铝粉体；

优选的是，所述氮化铝粉体的含氧量为低于1.00重量％，更优选低于0.80重量％；

进一步优先的是，所述氮化铝粉体的碳杂质含量为低于0.50重量％，更优选为低于0.40重量％。

10.根据权利要求9所述的氮化铝粉体在氮化铝陶瓷制备中的应用；优选的是，所述氮化铝陶瓷用于制造散热基片和电路基板尤其是集成电路基板。