レーザーを用いた選択的粒界加熱プロセスの開発と高熱伝導性セラミックス部材への展開

激光选择性晶界加热工艺的发展及其在高导热陶瓷部件中的应用

• 批准号: 22K04707
• 负责人: 末廣 智
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Japan Fine Ceramics Center
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04707/
• 关键词: AlN; レーザー; 焼結; 窒化アルミニウム

窒化アルミニウム(AlN)は、優れた理論熱伝導率320 W/(m・K)とシリコンに近い熱膨張係数、高い絶縁性をもつことから半導体の放熱基板材料として30年以上も研究されている。しかし、AlNは難焼結材料であり、常圧で緻密焼結体を得る手法としては、主に酸化イットリウム（Y2O3）を焼結助剤とした液相焼結が一般的である。しかし高品質なAlN焼結体を得るためには、1900℃以上の高温で数十時間以上も焼成しなければならず、製造コストが高いことが課題である。一方では近年、国際的な取り組み、SDGs（Sustainable Development Goals：持続可能な開発目標）において省エネルギー化に向けた基盤技術の開発が強く求められている。電気炉を用いた製造工程は多くのエネルギーを必要とする一方で、対象物の加熱に使われているエネルギーは全体の数％程度と言われている。そのため電気炉を使わない省エネルギーなセラミックスの短時間焼結技術の開発が求められている。本年度では、レーザーを用いたAlNの短時間焼結に資する助剤の開発およびそれを用いたAlNのレーザー焼結を検討した。レーザー焼結用の助剤としては、可視光領域に吸収端のある酸素欠損型のY2O3-δを焼結助剤として提案する。酸素欠損させた黒色のY2O3-δは、真空雰囲気中で炭素（C）とY2O3の混合粉末にレーザー照射し溶融凝固させ、ボールミルで微粉化することで作製した。得られた試料の紫外-可視吸収(UV-bis)測定により、レーザー波長1070nm近傍で15％程度光吸収することが明らかとなった。このY2O3-δを助剤として高純度のAlN粉末に数wt%添加し、窒素雰囲気下でレーザー焼結することでAlN焼結体を作製した。しかし、焼結体密度が75％程度と低く、熱伝導率向上のためには、更なる作製条件を精査する必要がある。

氮化铝（AlN）作为半导体散热基板材料的研究已有30多年的历史，因为它具有320 W/(m·K)的优异理论导热系数、接近硅的热膨胀系数、以及高绝缘性能。然而AlN是一种难烧结材料，以氧化钇(Y2O3)作为烧结助剂的液相烧结是常压下获得致密烧结体的常用方法。然而，为了获得高质量的AlN烧结体，必须在1900℃以上的高温下烧成数十小时以上，导致制造成本高。另一方面，近年来，可持续发展目标（SDG）等国际倡议强烈要求开发节能基础技术。虽然使用电炉的制造过程需要大量能量，但据说只有总能量的百分之几用于加热物体。因此，需要开发一种不使用电炉的节能、短时间的陶瓷烧结技术。今年，我们开发了一种有助于使用激光短时间烧结 AlN 的助剂，并研究了使用它的 AlN 激光烧结。作为激光烧结的助剂，我们提出了在可见光区域具有吸收限的缺氧Y2O3-δ作为烧结助剂。缺氧黑色Y2O3-δ是通过在真空气氛中用激光照射碳(C)和Y2O3的混合粉末使其熔化并固化，然后用球磨机粉碎来生产的。对所得样品的紫外-可见光吸收 (UV-bis) 测量表明，它吸收了 1070 nm 激光波长附近约 15% 的光。将数重量％的该Y 2 O 3-δ 作为助剂添加到高纯度AlN粉末中，并通过在氮气气氛中激光烧结来制造AlN烧结体。然而，烧结体的密度较低，约为75%，为了提高导热性，需要进一步研究制造条件。

项目成果

近赤外レーザーを用いたセラミックス製造技術の開発

近红外激光陶瓷制造技术的发展

• 发表时间: 2023
• 作者: 末廣智

レーザーを用いたセラミックス製造プロセスの開発と JFCC研究者としての働き方

使用激光的陶瓷制造工艺的开发以及如何作为 JFCC 研究员工作

• 发表时间: 2023
• 作者: 末廣智;末廣智
• 通讯作者: 末廣智