Efeito do teor de Y2O3 na sinterização do nitreto de alumínio

Abstract

O Y2O3 é o principal aditivo usado na sinterização de cerâmicas de AlN com elevada condutividade térmica, que são destinadas a produção de dispositivos eletrônicos de alta performance. Neste trabalho, investigou-se o efeito do teor de aditivo na sinterização de AlN com 0,5 a 4% em peso de Y2O3, correlacionado os resultados de densidade, análise microestrutural e a evolução das segundas fases em função da temperatura de sinterização. Os corpos compactados foram sinterizados em atmosfera de nitrogênio usando um forno com elemento resistivo de tungstênio entre 1650 e 2000 ºC por 1 h. Os resultados mostraram que a densificação das amostras de AlN com até 4% de Y2O3 ocorreu por sinterização no estado sólido até 1700 ºC. Acima desta temperatura, a densificação ocorreu por sinterização assistida por fase líquida. A fusão da fase YAG foi responsável pela formação de líquido ao redor de 1725 ºC nas amostras de AlN com até 4% de Y2O3. A quantidade de fase líquida aumentou em função do teor de aditivo nas amostras somente após a densificação total devido à fusão das partículas grandes refratárias de aluminatos de ítrio (YAP e YAM) em altas temperaturas. Assim, o aumento do teor de Y2O3 (0,5 a 4% em peso) não causou variações significativas no comportamento de densificação do AlN porque a quantidade de fase líquida foi próxima na faixa de temperatura em que ocorreu a densificação. A adição de apenas 0,5% em peso de Y2O3 aumentou significativamente a sinterabilidade do AlN. O uso de Y2O3 com larga distribuição granulométrica em relação a do AlN não causou a formação de poros grandes. Os resultados mostraram uma tendência de evaporação de compostos óxidos nas amostras de AlN com Y2O3 sinterizadas principalmente acima de 1850 ºC.

Efeitos do carbono na evolução de segundas-fases e na densificação do nitreto de alumínio com Y2O3

“…Após sinterização a 1800 ºC e 1850 ºC, a amostra 4Y apresentou em ordem de preponderância somente as fases YAP e YAG (Tabela I). Embora a fase YAP seja estável somente entre 1835 ºC e 1865 ºC, [1] da amostra 4Y. Após sinterização a 1700 ºC, esta amostra apresentou uma microestrutura com poros interconectados (Fig.…”

“…Esta rápida alteração microestrutural indicou a ocorrência de densificação por sinterização via fase líquida. Isto é plausível, pois a temperatura de formação de fase líquida para o AlN com Y 2 O 3 pode ocorrer a partir de aproximadamente 1720 ºC, quando a fase YAG está presente [1,2]. Partículas de segundas-fases foram observadas na amostra 4Y sinterizada entre 1650 ºC e 1800 ºC (Figs.…”

“…3a e 3b), como relatado em trabalhos anteriores [1,2]. Estas partículas grandes de segundas-fases são decorrentes da utilização de pó de Y 2 O 3 com distribuição granulométrica mais larga do que a do pó de AlN [1,2]. A análise por EDS destas partículas revelou a presença de O, Al e Y (Fig.…”

“…A cerâmica de nitreto de alumínio (AlN) tem potenciais aplicações como substrato e material de encapsulamento para dispositivos eletrônicos, pois apresenta alta condutividade térmica, elevada resistência à ruptura dielétrica, baixas perdas em alta freqüência, elevada resistividade elétrica e coeficiente de expansão térmica (4,4 x 10 -6 /ºC entre 20 ºC e 200 ºC) próximo daquele do silício (3,2 x 10 -6 /ºC entre 20 ºC e 200 ºC), que é um dos principais materiais usados pela indústria de microeletrônica para a fabricação de chips [1,2]. Além disso, apresenta boas propriedades mecânicas, próximas das cerâmicas de alumina [3,4].…”

“…Durante a sinterização, o oxigênio desta camada entra em solução sólida na rede cristalina do AlN, o que leva à formação de vacâncias de alumínio devido à compensação de carga gerada pela substituição de nitrogênio por oxigênio [7]. A presença de vacâncias de alumínio melhora a densificação do AlN devido ao aumento de seu coeficiente de autodifusão [1,2]. Por outro lado, a condutividade térmica é diminuída drasticamente com o aumento da concentração de vacâncias de alumínio, pois os fônons, responsáveis pela condução de calor em materiais cerâmicos, têm seu livre caminho médio diminuído pela interação fônon-vacância [2,8].…”