一種新型氮化鋁微球粉體的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用于電路封裝、傳感器、半導體照明、陶瓷加工、防腐耐磨技術領域的氮化鋁微球粉體及其制備方法。
【背景技術】
[0002]氮化鋁(AlN)具有高導熱率、高電絕緣性、高強度、高硬度、低熱膨脹系數等優異的物理化學性能，同時具有易于加工等優良的工藝性能，已成為目前最有希望的新一代高導熱陶瓷電子基板和封裝材料。AlN陶瓷材料還具有優良的光學性能和聲波傳播性能，可作為光電元件的主要材料。在作為高性能的介電陶瓷方面，AlN陶瓷的導熱系數雖比SiC及BeO陶瓷略低，但比Al2O3陶瓷約高8~10倍，體積電阻率、擊穿場強、介電損耗等電氣性能可與Al2O3陶瓷相媲美，且介電常數低、機械強度高，熱膨脹系數接近硅，可進行多層布線，被視為新一代極具發展前景的絕緣散熱基片材料。AlN陶瓷的制備工藝和性能均受到AlN粉體的純度、粒徑大小及分布、顆粒形態的直接影響，特別是AlN粉體中的氧雜質會嚴重降低熱導率。要獲得高性能的AlN陶瓷，必須有純度高，顆粒小且均勻，燒結活性好的粉體作為原料。因此，AlN粉體的制備是氮化鋁陶瓷生產中的關鍵環節。
[0003]自從Er摻雜GaN被發現可以發出綠光至今，稀土摻雜III族氮化物半導體的研宄成果屢見報道。GaN被重視的原因除其具有優良的化學穩定性外，還得益于GaN的寬禁帶使其適宜作為稀土離子的基質材料，允許發光材料發出更寬的光譜。與GaN相比，AlN具有更出色的物理特性，如高硬度、高熱導率、耐腐蝕，且與Si和GaAs有合理的溫度適配性；此外，AlN的超寬禁帶(Eg ^ 6.2eV)也表明其更適合作為稀土離子的基質材料，這不僅是因為稀土摻雜氮化鋁(AlN:Re)將具有更寬的發光光譜，還因為稀土離子在AlN基質中具有更小的溫度猝滅效應(基質材料禁帶寬度越寬，猝滅效應越小)。綜上，用AlN作為稀土離子的基質材料要比GaN更有優勢。而AlN基質本身的狀態，如粉體顆粒形狀、尺寸分布、均勻性、結晶度、純度、含氧量等因素都對AlN:Re產生舉足輕重的影響。
[0004]由此可見，無論是應用于電子基板還是介電陶瓷抑或半導體照明，AlN粉體的品質至關重要。
[0005]目前，AlN粉體的常見制備方法主要有:鋁粉直接氮化法、氧化鋁碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、化學氣相沉積法、等離子體法、溶膠凝膠法。其中，鋁粉直接氮化法成本低廉、工藝簡單，但產物氮化不完全、易團聚，難以合成高純度、細粒度的產品；氧化鋁碳熱還原法合成產物純度高、粒度均勻，但反應溫度高、保溫時間長、需后期除碳；自蔓延高溫合成法反應速度快、節能環保、產物活性高，但反應難控制、純度不高、產物極易團聚；化學氣相沉積法合成產物純度高、顆粒形貌好，但原料成本高昂、設備要求高、不宜工業生產；等離子體法合成產物粒度細、比表面積大、純度高、活性高，但設備昂貴復雜、能耗高、不宜工業生產；傳統溶膠凝膠法工藝簡單、合成產物純度高、顆粒分布均勻，但原料常用有機鋁鹽，成本較相對偏高。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種工藝簡單，成本低廉，適合工業化生產，形狀規則，應用廣泛的氮化鋁微球粉體及其制備方法
本發明的氮化鋁微球粉體，其微球的直徑為20nm~10 μ m。
[0007]氮化鋁微球的制備方法，包括如下步驟:
1)按質量比結晶氯化鋁:改性劑:乙醇:去離子水:甲酰胺:1，2-環氧丙烷=I:0-0.50:0.35?1.32:0.22?1.45:0?0.20:0.77?1.79，稱取結晶氯化鋁、改性劑、乙醇、去離子水、甲酰胺和1，2-環氧丙烷；
2)在25-80°C恒溫水浴的條件下，將結晶氯化鋁和改性劑充分溶解于去離子水、乙醇和甲酰胺的混合溶液中，然后加入1，2-環氧丙烷，攪拌均勻、靜置，得到凝膠；
3)將凝膠于60~90°C恒溫條件下干燥2~10小時，然后研磨分散，將其放置在氮化還原性氣氛下于800~1500°C熱處理1~8小時，得到氮化鋁微球粉體。
[0008]本發明中，所述的改性劑可以是聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚山梨酯、聚丙烯酰胺、十六烷基三甲基溴化銨、硬脂酸、十二烷基苯磺酸鈉、氯化鈉、氯化鉀、氯化鋰、硫酸鈉、亞硫酸鈉、硝酸鉀、葡萄糖、檸檬酸銨或檸檬酸鈉。
[0009]所述的氮化還原性氣氛可以為氨氣。
[0010]本發明制備過程中，通過調節結晶氯化鋁、改性劑、1，2-環氧丙烷、甲酰胺、去離子水與乙醇的加入量比例，恒溫水浴溫度，可以改變AlN微球的形貌和顆粒尺寸，從而調控其相關性能。
[0011]本發明制備步驟簡便，設備簡單，整個制備過程時間短，熱處理溫度低，能大幅度降低能耗，且原料及設備成本低廉，非常適合工業化大規模生產，極具實際應用價值。本發明制得的AlN微球具有形狀規則，微球直徑可調范圍為20nm~10 μ m，尺寸分布均勻、結晶性好、純度高等優點，可廣泛用于制作電路的封裝材料、紫外光電探測器、壓力傳感器、熱輻射傳感器、場效應晶體管、發光二極管、透明陶瓷、氮化物熒光粉、耐溫耐磨防護工具等。
【附圖說明】
[0012]圖1是AlN微球的掃描電子顯微鏡照片；
圖2是AlN微球的透射電子顯微鏡照片；
圖3是AlN微球的X射線衍射圖譜。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
O按質量比結晶氯化鋁:乙醇:去離子水:1，2-環氧丙烷=1:1.15:1.06:1.54，稱取結晶氯化鋁、乙醇、去離子水和1，2-環氧丙烷；
2)在40°C恒溫水浴的條件下，將結晶氯化鋁充分溶解于去離子水和乙醇混合溶液中，然后加入1，2-環氧丙烷，攪拌10秒后靜置，得到白色凝膠；
3)將凝膠置于60°C恒溫條件下干燥5小時，然后研磨分散，將其在氨氣氣氛下1200°C保溫2小時，冷卻后獲得AlN微球粉體。
[0014]該AlN微球粉體的掃描電子顯微鏡照片見圖1，由圖可見AlN微球具有形狀規則，尺寸分布均勾的特點，微球直徑分布為0.5~2 μm，其中以Ιμπι微球為主。其透射電子顯微鏡照片見圖2，表明制得的AlN微球為實心球。圖3為其X射線衍射圖譜，表明制得的AlN微球具有優異的結晶度及純度，無其他雜相。
[0015]實施例2
O按質量比結晶氯化鋁:聚氧化乙烯:乙醇:去離子水:甲酰胺:1，2_環氧丙烷=I:
0.02:0.35:1.45:0.10:1.45，稱取結晶氯化鋁、聚氧化乙烯、乙醇、去離子水、甲酰胺和
1,2-環氧丙燒；
2)在40°C恒溫水浴的條件下，將結晶氯化鋁和聚氧化乙烯充分溶解于去離子水、甲酰胺和乙醇混合溶液中，然后加入1，2_環氧丙烷，攪拌10秒后靜置，得到白色凝膠；
3)將凝膠置于70°C恒溫條件下干燥4小時，然后研磨分散，將其在氨氣氣氛下1100°C保溫5小時，冷卻后獲得AlN微球粉體，微球直徑分布為0.6-3.2 μ m，形狀規則，尺寸分布均勻。
[0016]實施例3
1)按質量比結晶氯化鋁:聚乙二醇:乙醇:去離子水:甲酰胺:1，2_環氧丙烷=I:0.1:1.32:0.88:0.10:0.77，稱取結晶氯化鋁、聚氧化乙烯、乙醇、去離子水、甲酰胺和1，2-環氧丙燒;
2)在40°C恒溫水浴的條件下，將結晶氯化鋁和聚乙二醇充分溶解于去離子水、甲酰胺和乙醇混合溶液中，然后加入1，2_環氧丙烷，攪拌10秒后靜置，得到