CN103094694B - 一种超材料介质基板及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超材料介质基板及其加工方法，包括以下步骤，101.制备致密氮化铝陶瓷原材；102.制备多孔氮化铝陶瓷原材；103.将上述两种陶瓷原材烧结成超材料的介质基板。应用本发明的制备方法，将致密氮化铝陶瓷原材与多孔氮化铝陶瓷原材共同烧结成超材料介质基板，综合了两种陶瓷的特点，致密氮化铝陶瓷的介电常数和热导率较高，多孔氮化铝陶瓷的介电常数和介电损耗较低，将上述两种陶瓷烧结成介质基板的介电常数是可控的，且具有较高的热导率、较低的介电损耗。此加工方法简单易行，造价低廉，具有良好的应用前景。
Description
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种超材料介质基板及其加工方法。
【背景技术】
超材料一般由多个超材料功能板层叠或按其他规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，现有超材料的介质基板为均一材质的有机或无机基板，如FR4、TP1等等。阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应，通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，可以使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。
氮化铝是一种原子晶体，属类金刚石氮化物，最高可稳定到2200℃。室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢，导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。氮化铝是电绝缘体，介电性能良好。氮化铝陶瓷基片，热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高，介电损耗小，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料，也可用作防腐蚀涂层，如腐蚀性物质的容器和处理器的里衬等，氮化铝陶瓷还具有优良的耐磨耗性能，可以用作研磨材料和耐磨损零件。与其它陶瓷材料制备工艺相同，氮化铝陶瓷的制备包括粉体的合成、成形、烧结3个工艺过程。致密的氮化铝陶瓷介电常数和热导率较高，多孔氮化铝陶瓷介电常数较低，介电损耗较小。
流延成型是指在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等成分，得到分散均匀的稳定浆料，在流延机上制得所需厚度薄膜的一种成型方法，具有以下优点：1、可制备单相或复相陶瓷薄片材料；2、缺陷尺寸小；3、产品成分起伏小，性能稳定；4、生产效率高，可连续操作；5、均可大、小批量生产，适于工业生产；6、适于成型大型薄板陶瓷或金属部件，这类部件几乎不可能或很难通过压制或挤制成型，而通过流延成型制造各种尺寸和形状的坯体则十分容易，而且可以保证坯体质量。流延成型法由于具有设备简单、可连续操作、生产效率高、坯体性能均一等特点，已成为制备大面积、超薄陶瓷基片的重要方法，被广泛应用在电子工业、能源工业等领域。
根据实际需要，对超材料介质基板要求ε较小、σ较小，有时要求ε较大、σ较小，因此加工一种介电常数可控、具有较高的热导率和较低的介电损耗、生产工艺简单的超材料介质基板势在必行。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种超材料介质基板及其加工方法，此加工方法工艺简单，加工介质基板的介电常数可控，基板的热导率较高，介电损耗较低，利于大规模工业生产，拥有良好的开发与应用前景。
本发明的实现发明目的采用的技术方案是，首先提供一种超材料介质基板及其加工方法，包括以下步骤：
101.制备致密氮化铝陶瓷原材，将氮化铝粉体、溶剂、除泡剂、分散剂和增塑剂混合，调制成液态泥膏状的流延浆料，利用流延成型工艺制成氮化铝生瓷带，并将生瓷带放入惰性气氛中高温烧结，得到致密氮化铝陶瓷原材；
102.制备多孔氮化铝陶瓷原材，将氮化铝粉体、中空陶瓷微球、溶剂、除泡剂、分散剂和增塑剂混合，调制成液态泥膏状的流延浆料，利用流延成型工艺制成氮化铝生瓷带，并将生瓷带放入惰性气氛中高温烧结，得到多孔氮化铝陶瓷原材；
103.将上述两种陶瓷原材烧结成超材料的介质基板。
作为具体实施方式，所述步骤101和步骤102中，所述氮化铝粉体的纯度≥99％。
作为具体实施方式，所述步骤101中，所述烧结的温度控制在1600-1700℃，烧结的时间控制在4-8h。
作为具体实施方式，所述步骤102中，所述中空陶瓷微球的粒径控制在1μm-5mm。
作为具体实施方式，所述步骤102中，所述加入中空陶瓷微球烧结的温度控制在500-1000℃，烧结的时间控制在0.5-5h。
作为具体实施方式，所述步骤102中，所述烧结的温度控制在1600-1800℃，所述烧结的时间控制在4-8h。
作为具体实施方式，所述步骤101和步骤102中，所述溶剂为乙醇、甲乙酮、三氯乙烯、甲苯、二甲苯和正丁醇中的一种或几种。
作为具体实施方式，所述步骤101和步骤102中，所述分散剂为磷酸酯、乙氧基化合物、三油酸甘油酯和鲱鱼油中的一种或几种。
作为具体实施方式，所述步骤101和步骤102中，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇、邻苯二甲酸二辛酯、丁·苄苯二甲酸酯和乙基草酸酯。
一种超材料介质基板，所述介质基板由致密氮化铝陶瓷原材和多孔氮化铝陶瓷原材烧结而成。
通过应用本发明的超材料介质基板材料及其加工方法，按照不同的配比将致密氮化铝陶瓷与多孔氮化铝陶瓷进行混合烧结，可以得到所需介电常数的基板材料。氮化铝粉末烧结成的氮化铝陶瓷材料的热导率较高，介电损耗小，利用流延成型工艺制备氮化铝陶瓷材料对烧结温度的要求也比较低，易于实现，因此上述加工方法对于超材料的封装工艺发展具有重要意义。
【附图说明】
图1，超材料介质基板的加工方法流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明用高纯度的氮化铝粉体烧结成致密氮化铝陶瓷和多孔氮化铝陶瓷，通过配比的变化将两种陶瓷烧结成所需介电常数的介质基板，此加工方法简便易行，制成的介质基板热导率高，介电损耗低，具有较好的发展前景。
实施例1
图1为超材料介质基板的加工方法流程图，根据图1，可以通过以下步骤加工超材料的介质基板，
101.制备致密氮化铝陶瓷原材，将5.1g纯度为99％的氮化铝粉体、乙醇/甲苯、除泡剂、三油酸甘油酯和邻苯二甲酸混合，将混合小颗粒调制成液态泥膏状的流延浆料，利用流延成型工艺制成氮化铝生瓷带，将生瓷带排胶后在氮气气氛中烧结，烧结温度1600℃，烧结时间5.5h，得到致密氮化铝陶瓷原材。
102.制备多孔氮化铝陶瓷原材，将7.6g纯度为99％的氮化铝粉体、中空陶瓷微球、乙醇/甲苯、除泡剂、三油酸甘油酯和邻苯二甲酸混合，调制成液态泥膏状的流延浆料，利用流延成型工艺制成氮化铝生瓷带，将生瓷带在氮气气氛中烧结，烧结温度1600℃，烧结时间4h，得到多孔氮化铝陶瓷原材。
在具体实施过程中，中空陶瓷微球可采用例如但不限于3M公司G-3500微球。
103.将致密氮化铝陶瓷原材与多孔氮化铝陶瓷原材烧结成超材料介质基板。
在具体实施过程中，乙醇/甲苯为溶剂，三油酸甘油酯为分散剂。
在具体实施过程中，在流延成型时，为了调节浆料性质，提高流延膜的质量，加入除泡剂、分散剂及增塑剂等添加剂。
在具体实施过程中，中空陶瓷微球经高温烧结后即形成空隙，因此中空陶瓷微球的粒径大小决定制成的多孔氮化铝陶瓷原材的孔径大小。
实施例2
101.制备致密氮化铝陶瓷原材，将7.4g纯度为99％的氮化铝粉体、乙醇/甲苯、除泡剂、三油酸甘油酯和邻苯二甲酸混合，将混合小颗粒调制成液态泥膏状的流延浆料，利用流延成型工艺制成氮化铝生瓷带，将生瓷带排胶后在氮气气氛中烧结，烧结温度1650℃，烧结时间5h，得到致密氮化铝陶瓷原材。
在具体实施过程中，中空陶瓷微球可采用例如但不限于3M公司G-3500微球。
102.制备多孔氮化铝陶瓷原材，将5.3g纯度为99％的氮化铝粉体、中空陶瓷微球、乙醇/甲苯、除泡剂、三油酸甘油酯和邻苯二甲酸混合，调制成液态泥膏状的流延浆料，利用流延成型工艺制成氮化铝生瓷带，将生瓷带在氮气气氛中烧结，烧结温度1600℃，烧结时间4h，得到多孔氮化铝陶瓷原材。
103.将致密氮化铝陶瓷原材与多孔氮化铝陶瓷原材烧结成超材料介质基板。
上述实施例制备超材料介质基板的方法简单，易于实现。将致密氮化硅陶瓷原材与多孔氮化硅陶瓷原材烧结成基板，综合了两种陶瓷的优点，制成基板的介电常数可控，热导率高，介电损耗低，具有良好的发展前景。
本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
Claims (8)
1.一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于，包括以下步骤，
101.制备致密氮化铝陶瓷原材，将氮化铝粉体、溶剂、除泡剂、分散剂和增塑剂混合，调制成液态泥膏状的流延浆料，所述氮化铝粉体的纯度≥99％，利用流延成型工艺制成氮化铝生瓷带，并将生瓷带放入惰性气氛中高温烧结，得到致密氮化铝陶瓷原材；
102.制备多孔氮化铝陶瓷原材，将氮化铝粉体、中空陶瓷微球、溶剂、除泡剂、分散剂和增塑剂混合，调制成液态泥膏状的流延浆料，所述氮化铝粉体的纯度≥99％，利用流延成型工艺制成氮化铝生瓷带，并将生瓷带放入惰性气氛中高温烧结，得到多孔氮化铝陶瓷原材；
103.将上述两种陶瓷原材烧结成超材料的介质基板。
2.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤101中，所述烧结的温度控制在1600-1700℃，烧结的时间控制在4-8h。
3.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤102中，所述中空陶瓷微球的粒径控制在1μm-5mm。
4.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤102中，所述烧结的温度控制在1600-1800℃，所述烧结的时间控制在4-8h。
5.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤101和步骤102中，所述溶剂为乙醇、甲乙酮、三氯乙烯、甲苯、二甲苯和正丁醇中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤101和步骤102中，所述分散剂为磷酸酯、乙氧基化合物、三油酸甘油酯和鲱鱼油中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤101和步骤102中，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇、邻苯二甲酸二辛酯、丁·苄苯二甲酸酯和乙基草酸酯。
8.一种超材料介质基板，其特征在于，所述介质基板的材料为由如权利要求1-7任一项所述的方法制作而成。
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