CN102344281B

CN102344281B - 一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法

Info

Publication number: CN102344281B
Application number: CN201010245192.4A
Authority: CN
Inventors: 周龙飞; 林信平
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN102344281A

Abstract

本发明提供一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法，所述制备方法包括下述步骤：步骤1、配料：称取氮化铝陶瓷基板的原料，并混合均匀，所述原料包含氮化铝粉体、烧结助剂、以及有机互溶剂；步骤2、混炼：将混合均匀的原料加入已经预热的混炼机中进行一次或多次混炼，制得混炼料；步骤3、热压成型：将所述混炼料经造粒得到粒料，然后放入模具中通过热压成型的方法成型生坯；步骤4、将热压成型的生坯进行排胶，去除生坯中的有机互溶剂，然后再将排胶后的坯件进行烧结。本发明所提供的方法适用于制作各种厚度的氮化铝陶瓷基板，并且工艺简单，有利于降低陶瓷基板的生产成本。

Description

一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷领域，具体来说，涉及一种氮化铝陶瓷基板的制备方法及采用该方法制备的氮化铝陶瓷基板。

背景技术

随着高功率电力电子、电子信息、半导体技术向高集成化、高速化、微型化、智能化发展，对其中起承载元件、外联、保护和冷却等作用的主要元件之一的陶瓷基板的要求越来越高，主要集中体现在对其热导率和介电性能方面的要求。

其中，氮化铝(AlN)陶瓷以其优异的高热导率、低介电常数、与Si相匹配的热膨胀系数以及其它优良的物理化学性能，受到了国内外学术界和生产厂家的广泛关注，被誉为新一代高密度封装的理想基板材料。氮化铝陶瓷基板的热导率理论值可达到320W.m^-1.K^-1，工业生产中制成的连续化产品一般在200W.m^-1.K^-1左右。已经在大功率模块电路、大功率晶体管、半导体激光器、开关电源以及其他既要求高导热又要求良好绝缘性能的大功率器件上取得了广泛应用。目前陶瓷基板的成型方法主要有流延成型、干压成型等。

目前氮化铝(AlN)陶瓷较常采用的成型方法是流延成型，流延法制造氮化铝陶瓷基板主要包括以下几个步骤：步骤1、在氮化铝粉体中按比例加入烧结助剂，搅拌均匀；步骤2、在步骤1得到的粉体中按比例加入增塑剂、悬浮剂、粘结剂和溶剂后，经振磨，制成混合均匀的浆料；步骤3、将上述浆料通过流延成型机制成陶瓷坯带，并烘干成固体坯带，将坯带裁制成坯片；步骤4、将坯片送入烧结炉内烧结、冷却后得到氮化铝陶瓷基板。

流延法成型生产效率最高，且易于实现生产的连续化和自动化，可改善产品质量，实现大批量生产，但是流延法制备陶瓷基板对工艺要求非常严格，并且仅适合于制备厚度在1.0mm以下的基板产品，当厚度大于1.0mm时，则多采用干压成型工艺，这也导致针对不同型号的产品需求，生产设备以及工艺开发的成本投入增加的情况。

干压法制备氮化铝陶瓷基板主要包括以下几个步骤：步骤1、将氮化铝粉末、混合烧结助剂混合均匀得到原料粉末；步骤2、在上述得到的粉末中加入粘结剂后造粒；步骤3、将得到的粉体在压力机上成型坯片；步骤4、对坯片进行排胶；步骤5、烧结及后续处理得到氮化铝陶瓷基板。

干压成型具有操作方便，生产周期短，效率高，易于实现自动化生产的特点，但干压成型适用于制备厚度在1.0以上的基板产品，当用于生产厚度小于1.0mm的基板时，由于氮化铝粉末较少，容易受力不均，成型难度大，即使成型坯片，坯片在后续的烧结过程中也易于出现开裂、翘曲等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的制备方法难以适用于生产各种厚度的氮化铝陶瓷基板的缺陷。

为此，本发明中提供了一种氮化铝陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、配料：称取氮化铝陶瓷基板的原料，并混合均匀，所述原料包含氮化铝粉体、烧结助剂、以及有机互溶剂；

步骤2、混炼：将混合均匀的原料加入已经预热的混炼机中进行一次或多次混炼，制得混炼料；

步骤3、热压成型：将所述混炼料经造粒得到粒料，然后放入模具中通过热压成型的方法成型生坯；

步骤4、将热压成型的生坯进行排胶，去除生坯中的有机互溶剂，然后再将排胶后的坯件进行烧结。

优选地，所述混炼的条件：混炼机的预热温度为150℃±30℃，每次混炼的时间为30-90min。

优选地，所述热压成型是将粒料放入模具中，在150℃±30℃的温度，20±5Mpa的压力下进行热压。

优选地，所述造粒是将混炼料在破碎机中进行破碎造粒；

所述排胶的条件：将热压成型的生坯置于排胶炉中，在空气气氛下，以1-3℃/min的升温速度升温至550℃±20℃，然后在550℃±20℃的温度下保温1-3h；

所述烧结的条件：将排胶后的坯件置于真空高温炉中，在惰性气氛的保护下，于1750℃-1850℃进行烧结，烧结时间为3-5h。

优选地，以所述原料的总重量计，氮化铝粉体的含量为50wt％-70wt％，烧结助剂的含量为3wt％-5wt％，有机互溶剂的含量为25wt％-45wt％。

优选地，所述氮化铝粉体的纯度在99％以上，平均粒径为1-2μm；所述烧结助剂选自氧化钇、氧化钙、氟化钙中的一种或几种。

优选地，所述有机互溶剂中含有聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物以及润滑剂，以所述有机互溶剂的总重量计，聚乙烯的含量为20-50wt％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的含量为40-78wt％，润滑剂的含量为1-10wt％。

优选地，所述有机互溶剂还含有聚丙烯、石蜡、增塑剂、热塑性弹性体中的一种或几种，以所述有机互溶剂的总重量计，聚丙烯的添加量为0-10wt％，石蜡的添加量为0-30wt％，增塑剂的添加量为0-10wt％，热塑性弹性体的添加量为0-10wt％。

优选地，所述润滑剂为硬脂酸，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。

同时，本发明还提供了一种氮化铝陶瓷基板，采用如上所述的方法制得，包含氮化铝和烧结助剂。

优选地，所述烧结助剂为氧化钇、氧化钙、氟化钙中的一种或多种；所述氮化铝和烧结助剂的重量比为：(50-70)∶(3-5)。

与现有技术相比，通过本发明所提供的方法能够适用于不同厚度的氮化铝陶瓷基板的生产，有利于降低陶瓷基板的生产成本，在陶瓷基板生产领域具有广泛的应用价值。

具体实施方式

本领域的技术人员知道：干压成型属于陶瓷粉体或金属粉末的成型方法，是将干粉坯料加入少量添加剂后填充入金属模腔中，施以压力使其成为致密坯体。而热压成型在传统上则属于塑料的成型工艺，一般是将塑性料加入到加工模具中，加热后使之软化，然后施压成型生坯。但是，本发明的发明人通过大量实验发现：通过在氮化铝陶瓷基板粉体中加入有机互溶剂，由于原料中的有机组分含量比较高，通过混炼制得的混炼料的性能已经接近塑性料，因而可以采用热压成型，适用于制作不同厚度的氮化铝陶瓷基板。

据此，本发明提供了一种氮化铝陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、配料：称取氮化铝陶瓷基板的原料，并均匀混合，所述原料包含氮化铝粉体、液相烧结助剂以及有机互溶剂；以原料的总重量计，各组分的含量为：氮化铝粉体的含量为50wt％-70wt％，烧结助剂的含量为3wt％-5wt％，有机互溶剂的含量为25wt％-45wt％；更优选地，所述氮化铝粉体的含量为50wt％-60wt％，有机互溶剂的含量为35wt％-45wt％。

其中，所述氮化铝粉体的纯度在99％以上，平均粒径为1-2μm，粒径越小的粉体活性越高，越有利于致密化烧结。本发明中所用到的氮化铝粉末可以通过商购获得，例如：德山曹达公司生产的氮化铝粉末。

所述烧结助剂为液相烧结助剂，选自氧化钇、氧化钙、氟化钙中的一种或几种；在优选情况下选自氧化钙、氟化钙中的一种和氧化钇复合。当氧化钙(或者氟化钙)与氧化钇同时使用时，重量比为(0.5-2.0)∶(2.0-3.5)，选用烧结助剂的作用主要是能在较低温度下与AlN表层的Al₂O₃发生共熔，产生具有流动性的液相，促进活性烧结，促进致密化，并且降低烧结温度；同时烧结助剂与Al₂O₃具有较强的结合能力，有利于除去氧杂质，净化AlN晶格。但烧结助剂也不能过多，过多反而导致氮化铝陶瓷基板的导热性能降低。本发明所采用的烧结助剂可以通过商购获得，例如：赣州虔锦和新材料有限公司提供的分析纯为99.9％的氧化钇、大连荣宇科技发展有限公司提供的分析纯为99.9％的氧化钙和承德创力光电材料有限公司提供的分析纯为99.9％的氟化钙。

所述有机互溶剂中含有聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、以及润滑剂，以所述有机互溶剂的总重量计，聚乙烯的含量为20-50wt％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的含量为40-78wt％，润滑剂的含量为1-10wt％；为了使有机互溶剂与氮化铝粉体、烧结助剂形成更良好的互溶，优选地，所述聚乙烯的含量为35-50wt％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的含量为40-55wt％，润滑剂的含量为5-10wt％。其中，聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的作用在于能够与氮化铝粉体、烧结助剂形成良好互溶，所得到的混合料通过混炼能够得到具有良好塑性的混炼料。所述润滑剂选自硬脂酸、软脂酸、油酸、石墨粉、硫磺粉中的一种。优选情况下，润滑剂选择硬脂酸，润滑剂可以通过商购获得，润滑剂在热压时处于粘流态，其加入能够提高压制过程中粉末颗粒之间的润滑效果，减少摩擦阻力，使压制时粉末颗粒能更好地传递压力，粉末颗粒充填性好，有利于生坯密度的明显提高，并且降低脱模力。

另外，所述有机互溶剂还可以选择性的含有增塑剂、热塑性弹性体、聚丙烯、石蜡中的一种或几种，以所述有机互溶剂的总重量计，增塑剂的添加量为0-10wt％，热塑性弹性体的添加量为0-10wt％，聚丙烯的添加量为0-10wt％，石蜡的添加量为0-30wt％。

其中，所述增塑剂选自聚乙二醇或邻苯二甲酸二丁酯，用于增强原料混炼后的塑性，可以通过商购获得，例如：东莞优蓝化工提供的聚乙二醇，亿丰股份有限公司提供的邻苯二甲酸二丁酯；优选邻苯二甲酸二丁酯。

所述热塑性弹性体则用于增强原料混炼后的韧性，种类很多，例如：苯乙烯类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酯类热塑性弹性体、聚酰胺热塑性弹性体、乙烯共聚物热塑性弹性体，均可以通过商购获得。

所述聚丙烯、石蜡主要用于形成缓和的温度梯度，聚丙烯集中的热分解温度为350-410℃，石蜡集中的热分解温度为120-150℃，具体原因如下详述。

进一步需要说明的是，加入上述多种组分的有机互溶剂的主要作用：一方面是为了与氮化铝粉体、烧结助剂形成良好的互溶；另一方面在于选择具有不同挥发温度的有机互溶剂的组分，能够在排胶时形成分解的温度梯度，以本发明的必选组分：聚乙烯集中的热分解温度为400-450℃，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物集中的热分解温度为450-500℃，由于聚乙烯与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物为有机互溶剂的必含组分，用于与氮化铝粉体、烧结助剂形成互溶，因而优选其它组分与上述必选组分具有不同的热分解温度，优选的硬脂酸集中的分解温度段为200-310℃，优选的邻苯二甲酸二丁酯集中的热分解温度为180-220℃，热塑性弹性体集中的热分解温度为450-480℃，同时，所述有机互溶剂进一步添加有聚丙烯、石蜡，在保证与氮化铝粉体、烧结助剂形成良好互溶的基础上，能够形成更为缓和的温度梯度，聚丙烯集中的热分解温度为350-410℃，石蜡集中的热分解温度为120-150℃。通过上述不同组分的有机互溶剂的选择，能够形成良好的热分解温度梯度，在排胶的过程中，有机互溶剂的不同组分在不同的温度段进行分解，并平稳缓慢挥发，能够避免热压成型后的生坯在排胶过程中产生鼓泡或开裂，有利于最终得到的氮化铝陶瓷基片具有良好的导热率和表观质量。

步骤2、混炼：将上述混合均匀的原料加入已经预热到150℃±30℃的混炼机中进行一次或多次混炼，每次混炼时间为30-90min，制得混炼料。所述混炼的次数根据混炼的充分程度决定，优选二次混料，即将混合均匀的原料加入已经预热到150℃±30℃的混炼机中进行第一次混炼，混炼约30-90min后将混合物料取出，再加入混炼机中在150℃±30℃下进行第二次混炼，混炼约30-90min后取出得到混炼料，由于上述有机互溶剂的加入，使得混炼所得到的混炼料的性能接近塑性料，从而能够通过热压成型。

步骤3、破碎造粒：将混炼料在破碎机进行破碎造粒；本步骤的混炼料在破碎机中进行破碎制得粒径较细的粒料即可，不同于干压成型，对粒料的粒径要求并不严格，无需过筛，工艺更简单。

步骤4、热压成型：将造粒后得到的粒料放入加工模具中在150℃±30℃的温度，20±5Mpa的压力下，热压3-5min成型生坯；所述热压成型可采用现有的热压成型塑料件的工艺步骤和条件，通过热压成型的生坯比其他成型方法如流延成型、干压成型的生坯更致密，氮化铝粉体之间的间隙更小，有利于致密化烧结；需要说明的是：本发明对氮化铝陶瓷基板厚度的控制是通过调节热压时的模具来实现的，具体是通过调节模具型腔的深度来控制生坯的厚度，然后再通过排胶和烧结得到氮化铝陶瓷基板，通过排胶和烧结工艺，所制得的氮化铝陶瓷基板相对于生坯的厚度较薄，但差值在200μm的范围内，可通过预留可调厚度的方式将氮化铝陶瓷基板的厚度控制在所需范围内。

步骤5、排胶：将所述生坯置于排胶炉中在空气气氛下，以1-3℃/min的升温速度升温至550℃±20℃，然后在550℃±20℃的温度下保温1-3h，去除生坯中的有机互溶剂，得到坯件；

步骤6、烧结，将排胶后的坯件置于真空高温炉中，在流动的惰性气氛保护下，于1750℃-1850℃进行烧结，烧结时间3-5h，得到所需的氮化铝陶瓷基板成品。需要说明的是，氮化铝的烧结需要在惰性气体保护下进行，因为在空气中氮化铝粉体在1000℃以下就会被氧化，即使是烧结致密的氮化铝陶瓷基板在1100℃左右也会被氧化，惰性气体的保护可以防止此类现象的发生。

本发明通过上述方法制备的氮化铝陶瓷基板，导热率为160-220K/m.k，包含氮化铝和烧结助剂，氮化铝和烧结助剂的重量比为：(50-70)∶(3-5)；其中，氮化铝采用纯度在99％以上的氮化铝粉末，平均粒径为1-2μm，烧结助剂为氧化钇、氧化钙、氟化钙中的一种或几种。

下面通过具体的实施例来说明本发明所提供的氮化铝陶瓷基板的制备方法以及采用该方法制备的氮化铝陶瓷基板。

实施例1

步骤1、混料：将定量的氮化铝粉体、液相烧结助剂和有机互溶剂按照：氮化铝粉体65wt％、烧结助剂5wt％、有机互溶剂30wt％的配比混合均匀，其中，所述烧结助剂为氧化钇和氧化钙，氧化钇和氧化钙的重量比为1∶1，所述有机互溶剂含有聚乙烯40wt％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物45wt％、硬脂酸5wt％、热塑性弹性体5wt％、聚丙烯2wt％、石蜡3wt％。

步骤2、混炼：将混合好的原料加入已经预热到150℃的混炼机中，混炼约30min后取出，再加入混炼机中在150℃下进行二次混炼，30min后将混炼料取出。

步骤3、破碎造粒：将混炼料在破碎机中进行破碎造粒。

步骤4、热压成型：调节模具型腔的深度为1mm，然后将造粒后的粒料放入模具的型腔中，在150℃，20Mpa的压力下热压3min成型1mm厚的生坯。

步骤5、排胶：将生坯置于排胶炉中，在空气气氛下，以2℃/min的升温速度升温至550℃，然后在550℃的温度下进行排胶，将生坯中的有机物去除。

步骤6、烧结，将排胶后的坯件置于真空高温炉中，在流动的氮气气氛保护下，1750℃进行烧结，烧结时间为4h，最终得到所需的厚度为0.9mm的氮化铝陶瓷基板A1。

性能测试：

导热性能的测试由上海硅酸盐研究所测试中心进行测试，测试仪器为上海硅酸盐研究所自行研制的“计算机运控的机关脉冲导热系数测定仪”，测试温度为425℃，测得该氮化铝陶瓷基板A1的导热率为180K/m.k。

实施例2

步骤1、混料：将定量的氮化铝粉体、液相烧结助剂和有机互溶剂按照：氮化铝粉体70wt％、烧结助剂5wt％、有机互溶剂25wt％的配比混合均匀，其中，所述烧结助剂为氧化钇和氟化钙，氟化钙和氧化钙的重量比为1∶4，所述有机互溶剂含有聚乙烯40wt％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物40wt％、硬脂酸5wt％、热塑性弹性体5wt％、邻苯二甲酸二丁酯2wt％、聚丙烯4wt％、石蜡4wt％。

步骤2、混炼：将混合好的原料加入已经预热到160℃的混炼机中，混炼约30min后取出，再加入混炼机中在160℃下进行二次混炼，45min后将混炼料取出。

步骤3、破碎造粒：将混炼料在破碎机中进行破碎造粒。

步骤4、热压成型：调节模具型腔的深度为2.1mm，然后将造粒后的粒料放入模具的型腔中，在170℃，25Mpa的压力下热压2min成型2.1mm厚的生坯。

步骤5、排胶：将生坯置于排胶炉中，在空气气氛下，以3℃/min的升温速度升温至550℃，然后在550℃的温度下进行排胶，将生坯中的有机物去除。

步骤6、烧结，将排胶后的坯件置于真空高温炉中，在流动的氮气气氛保护下，1850℃进行烧结，烧结时间为3h，最终得到所需的厚度为2.0mm的氮化铝陶瓷基板A2，根据实施例1的测试方法测得氮化铝陶瓷基板A2的导热率为200K/m.k。

实施例3

步骤1、混料：将定量的氮化铝粉体、液相烧结助剂和有机互溶剂按照：氮化铝粉体67wt％、烧结助剂5wt％、有机互溶剂28wt％的配比混合均匀，其中，所述烧结助剂为氧化钇和氧化钙，氧化钇和氧化钙的重量比为1∶2，所述有机互溶剂含有聚乙烯30wt％、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物50wt％、硬脂酸8wt％、热塑性弹性体5wt％、聚丙烯2wt％、邻苯二甲酸二丁酯2wt％、石蜡3wt％。

步骤2、混炼：将混合好的原料加入已经预热到170℃的混炼机中，混炼约60min后取出，再加入混炼机中在170℃下进行二次混炼，60min后将混炼料取出。

步骤3、破碎造粒：将混炼料在破碎机中进行破碎造粒。

步骤4、热压成型：调节模具型腔的深度为3mm，然后将造粒后的粒料放入模具的型腔中，在170℃，25Mpa的压力下热压5min成型3mm厚的生坯。

步骤5、排胶：将生坯置于排胶炉中，在空气气氛下，以3℃/min的升温速度升温至560℃，然后在560℃的温度下进行排胶，将生坯中的有机物去除。

步骤6、烧结，将排胶后的坯件置于真空高温炉中，在流动的氮气气氛保护下，1850℃进行烧结，烧结时间为5h，最终得到所需的厚度为2.8mm的氮化铝陶瓷基板A3，根据实施例2的测试方法测得氮化铝陶瓷基板A3的导热率为210K/m.k。

Claims

1.一种氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤4、将热压成型的生坯进行排胶，去除生坯中的有机互溶剂，再将排胶后的坯件进行烧结,

其中，所述有机互溶剂中含有聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物以及润滑剂，以所述有机互溶剂的总重量计，聚乙烯的含量为20-50wt％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的含量为40-78wt％，润滑剂的含量为1-10wt％。

2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述混炼的条件：混炼机的预热温度为150℃±30℃，每次混炼的时间为30-90min。

3.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述热压成型是将粒料放入模具中，在150℃±30℃的温度，20±5MPa的压力下进行热压。

4.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述造粒是

将混炼料在破碎机中进行破碎造粒；

5.根据权利要求1-4任意一项所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，以所述原料的总重量计，氮化铝粉体的含量为50wt％-70wt％，烧结助剂的含量为3wt％-5wt％，有机互溶剂的含量为25wt％-45wt％。

6.根据权利要求5中所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述氮化铝粉体的纯度在99％以上，平均粒径为1-2μm；所述烧结助剂选自氧化钇、氧化钙、氟化钙中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述有机互溶剂还含有聚丙烯、石蜡、增塑剂、热塑性弹性体中的一种或几种，以所述有机互溶剂的总重量计，聚丙烯的添加量为0-10wt％，石蜡的添加量为0-30wt％，增塑剂的添加量为0-10wt％，热塑性弹性体的添加量为0-10wt％。

8.根据权利要求7所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。