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桂林理工大学王吉林团队新论文：解决Al₂O₃基陶瓷基板研发和应用中所面临的挑战的新思路

已有 2620 次阅读 2024-6-14 10:45 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

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Wang J, Lu D, Xuan W, et al. Boron nitride microribbons strengthened and toughened alumina composite ceramics with excellent mechanical, dielectric, and thermal conductivity properties. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 496-506.

https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220872

1、研究背景

随着21世纪随着科学技术的不断发展，微电子技术正朝着小型化、轻量化、集成化的方向发展。器件的高度复杂性使得器件产生的积热越来越严重，这对电路基板提出了越来越高的散热要求。同时，低介电和优异的力学性能也是满足新一代高性能陶瓷基板的必要条件。氧化铝(Al2O3)具有耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好、耐磨性好、密度低、原料来源广泛、价格低廉等优异的综合性能，使其在绝缘陶瓷电路基板中已经获得了广泛的应用。然而，氧化铝陶瓷导热基板在开发和使用中也主要存在以下3个问题亟待解决：1）氧化铝陶瓷的导热性差，不能满足现代新一代电子器件的散热要求；2）氧化铝陶瓷的力学性能，特别是硬度、断裂韧性和强度等方面仍有很大的提升空间；3）氧化铝的离子键较强，颗粒扩散系数低，导致烧结条件相对苛刻。

2、文章亮点

首次使用自制的新型氮化硼微米带（BNMRs）作为添加相，通过放电等离子烧结技术（SPS）制备了BNMRs强韧化的BNMRs/ Al₂O₃复合陶瓷。选择一维BNMRs主要有以下3个方面的独特优势：1）一维BNMRs具有拉伸强度和弹性模量高、杨氏模量大、绝缘性好、体积密度低、导热率高，介电常数低、耐高温、化学性能好等特点。将其作为第二相加入，只需添加少量即可显著提高复相陶瓷的断裂韧性和弯曲强度；2）一维BNMRs具有更高效的单位面积声子传输能力，同等BN含量下一维BNMRs在复相陶瓷中能够构建更加丰富的三维导热网络，从而显著提高复相陶瓷的导热性能；3）一维BNMRs的加入，同时也可以降低复相陶瓷的介电常数和介电损耗，提高绝缘特性，从而降低热损耗，提升陶瓷基板的电学性质和使用寿命。

此外，本工作也研究了BNMR含量对BNMR/Al₂O₃复合陶瓷的力学、导热和电学性能的影响，在此基础上进一步提出了复合陶瓷的增韧和导热机制。

3、研究结果及结论

以商用廉价Al₂O₃微粉（粒径3-4um）和自制BNMRs为原料，未使用任何烧结助剂，采用SPS法制备了BNMRs/Al₂O₃复合陶瓷。当BNMR添加量为5 wt%，在1500℃下保温18min即可获得综合性能最佳的高致密度BNMRs/Al₂O₃复相陶瓷。BNMRs提高了Al₂O₃界面结合能，增强了极化效应。BNMRs的纤维拉出、裂纹挠曲、桥接和钉接等协同增韧效应改善了Al₂O₃基陶瓷的力学性能。同时，一维 BNMRs均匀包裹在Al₂O₃晶粒表面，具有钉扎和桥接作用，抑制氧化铝晶粒的生长的同时，也构建了特殊的导热网络，减少了声子散射，从而显著提升了复相陶瓷的导热性能。BNMRs/Al₂O₃复合陶瓷的相对密度、硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为99.95%±0.025%、34.11±1.5 GPa、5.42±0.21 MPa·m^1/2和375±2.5 MPa，比纯Al₂O₃陶瓷分别提高了0.76%、70%、35%和25%。介电常数和导热系数分别为6.18±0.02和15.89±0.13 W/(m·K)。与纯Al₂O₃陶瓷相比，介电常数降低了25.6%，导热系数提高了45.6%。本研究结果为解决Al₂O₃基陶瓷基板研发和应用中所面临的挑战提供了新的思路和理论/实验借鉴。

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4、作者及研究团队简介

王吉林，桂林理工大学副研究员，硕士生导师，广西“千骨计划”培养对象，北京大学高级访问学者，中国复合材料学会和中国硅酸盐学会会员。主要从事BN/Al₂O₃/CaCO₃基导热电子封装材料及结构功能一体化复合材料、太阳能薄膜电池/LED等光电材料与器件方向的产学研工作。

近年来承担了国家自然科学基金、广西自然科学基金、桂林市重大专项等各级别项目10项，参与国家自然科学基金、广西重大专项和企业横向等项目7项，在Compos. Part B-ENG、J. Adv. Ceram.、Compos. Part A-APPL S、ACS Appl. Mater. Inter.、Solar RRL、Mater. Chem. Front.、Cryst. Growth Des.、J. Phys. Chem. C、CrystEngComm、Ceram. Int.等国内外重要期刊发表相关研究论文100余篇，其中第1作者/通讯作者SCI论文收录50余篇。申请中国发明专利50多项，已授权中国发明专利31项，是Angew. Chem. Int. Edit.、Small、J. Am. Ceram. Soc.、Ceram. Int.和J. Alloy. Compd.等国际期刊审稿人。

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊简介

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊是由中华人民共和国教育部主管、清华大学出版社主办、清华大学出版社出版的国际学术期刊。2022年期刊影响因子为16.9，在SCI“材料科学：陶瓷”分类的28本期刊中排名第1。本刊就此成为SCI“材料科学：陶瓷”分类中首个影响因子突破15.0的期刊。