CN103183500B

CN103183500B - 一种氧化铝陶瓷基板及其制备方法

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Publication number: CN103183500B
Application number: CN201110443640.6A
Authority: CN
Inventors: 徐强; 任永鹏; 林信平; 王书敏
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: CN103183500A

Abstract

本发明提供了一种氧化铝陶瓷基板的制备方法及由该方法制备的陶瓷基板，在陶瓷基板粉料中添加第一烧结助剂和第二烧结助剂，所述第一烧结助剂为XCaO·YMgO·ZSiO₂的玻璃态粉末，0.1≦X≦0.4，0.1≦Y≦0.4，0.5≦Z≦0.7，X+Y+Z=1，其中X：Y：Z为质量比；第二烧结助剂为BaO；并采用陶瓷基板生坯与表面涂敷有纳米氧化铝粉末的隔烧板隔层叠放后一起放入烧结炉中烧结的方式，所制得的氧化铝陶瓷基片体积密度大，表面平滑度好，抗击穿强度高。

Description

一种氧化铝陶瓷基板及其制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷制备领域，尤其涉及一种液相烧结的氧化铝陶瓷基板的制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷基板的制备，现有技术大都采用流延工艺制备生坯，然后通过排胶、高温烧结而成，而烧结过程中一般采用固相烧结方式，固相烧结时需要温度达到固相反应的相应温度才能保证粉料之间发生固相反应进而使粉料烧结致密，较高的固相烧结温度（1650℃-1800℃）提高了陶瓷基板的制备成本，而且对烧结设备的要求高。为了获得较低的烧结温度，现有技术中也有采用液相烧结的方式，现有技术中的液相烧结采用直接加入配方粉料的方式，配方粉料与主相陶瓷粉在烧结温度下作用形成液相，从而进行液相体系烧结，这样将导致一部分主相陶瓷粉与配方粉形成共烧相，破坏陶瓷的相关组成，从而影响陶瓷的性能。

发明内容

为了解决现有技术中氧化铝陶瓷基板体积密度小、表面粗糙和抗击穿强度低的问题，本发明提供了一种氧化铝陶瓷基板及其制备方法。

本发明的氧化铝陶瓷基板成分包括重量百分比90-96wt%的氧化铝和4-10wt%的第一烧结助剂，所述第一烧结助剂的成分为XCaO·YMgO·ZSiO₂，0.1≦X≦0.4，0.1≦Y≦0.4，0.5≦Z≦0.7，X+Y+Z=1，其中X：Y：Z为质量比；所述氧化铝陶瓷基板体积密度大于3.7g/cm³,表面粗糙度小于0.4μm，抗击穿强度大于30KV/mm。

所述制备方法为将陶瓷基板粉料与第一有机体系混合后的浆料制坯、排胶、烧结，所述陶瓷基板粉料包括氧化铝粉料和第一烧结助剂，所述第一烧结助剂的成分为XCaO·YMgO·ZSiO₂，0.1≦X≦0.4，0.1≦Y≦0.4，0.5≦Z≦0.7，X+Y+Z=1，其中X：Y：Z为质量比，所述第一烧结助剂为玻璃态。

本发明的第一烧结助剂在较低的温度下熔融为液态，可使氧化铝陶瓷的制备过程中烧结温度比固相烧结温度低200-300℃，且呈液态的第一烧结助剂填充进陶瓷基板浆料烧结过程中产生的孔隙中，使烧结后氧化铝陶瓷体积密度大，表面平滑度好，抗击穿强度高。

优选情况下，本发明的氧化铝陶瓷基板在烧结过程中还添加有第二烧结助剂，所述第二烧结助剂为BaO，所述BaO粉料的粒径为1-3微米，BaO的加入进一步提高了氧化铝陶瓷的表面平滑度。

优选情况下，本发明的氧化铝陶瓷的制备方法采用隔板烧结生坯，所述隔板烧结中使用的隔烧板为表面涂敷有纳米氧化铝粉料的隔烧板，采用表面涂敷有纳米氧化铝粉料的隔烧板进行隔板烧结，进一步增大了氧化铝陶瓷基板的体积密度和表面平滑度。

本发明提供的氧化铝陶瓷基板具有较大的体积密度、表面平滑度和抗击穿强度；如本发明的一个实施例陶瓷基板的体积密度为3.76g/cm³，如本发明的一个实施例本发明的陶瓷基板的表面粗糙度为0.32μm，又如本发明的一个实施例陶瓷基板的抗击穿强度为36KV/mm。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种氧化铝陶瓷基板，成分包括重量百分比90-96wt%的氧化铝和4-10wt%的第一烧结助剂，所述第一烧结助剂的成分为XCaO·YMgO·ZSiO₂，0.1≦X≦0.4，0.1≦Y≦0.4，0.5≦Z≦0.7，X+Y+Z=1，其中X：Y：Z为质量比。

制备氧化铝陶瓷基板过程中，原料第一烧结助剂为玻璃态粉料。

优选情况下，所述氧化铝陶瓷基板的成分还包括第二烧结助剂BaO，具体组分为重量百分比90-96wt%的氧化铝、3-9wt%的第一烧结助剂和0.5-1.5wt%的第二烧结助剂BaO。

本发明提供的氧化铝陶瓷基板的制备方法，将陶瓷基板粉料与第一有机体系混合后的浆料制坯、排胶、烧结，所述陶瓷基板粉料包括氧化铝粉料和第一烧结助剂，所述第一烧结助剂的成分为XCaO·YMgO·ZSiO₂，0.1≦X≦0.4，0.1≦Y≦04，0.5≦Z≦0.7，X+Y+Z=1，其中X：Y：Z为质量比，所述第一烧结助剂为玻璃态。

本发明通过自制液相烧结助剂，大大降低了氧化铝陶瓷的烧结温度；同时烧结后氧化铝陶瓷结构致密，表面平滑度好，抗击穿强度高。

首先，制备第一烧结助剂的玻璃态粉料，按照配比称取一定的CaO、MgO和SiO₂后混合，将混合物进行球磨分散，球磨时间为3-5h，然后将球磨后的混合物在1450℃-1600℃下熔化后直接进行淬水冷，冷却后得到玻璃态的第一烧结助剂碎片，将第一烧结助剂玻璃碎片进行湿法球磨24h，湿法球磨过程中使用的介质可以为水或乙醇，球磨后得到本发明的第一烧结助剂，所述第一烧结助剂的粒径为1-3微米。

然后配置陶瓷基板浆料，所述浆料包括陶瓷基板粉料和第一有机体系，所述陶瓷基板的粉料包括重量比90-96wt%的氧化铝粉料，4-10wt%的第一烧结助剂。

优选情况下，本发明的氧化铝陶瓷基板的制备方法中还添加有第二烧结助剂，所述第二烧结助剂为BaO，所述BaO粉料的粒径为1-3微米，BaO的添加进一步改善了烧结后陶瓷基板的表面平滑度。

所述陶瓷基板浆料包括陶瓷基板粉料和第一有机体系，所述陶瓷基板的粉料包括重量比90-96wt%的氧化铝粉料，3-9wt%的第一烧结助剂和0.5-1.5wt%的第二烧结助剂BaO。

第一有机体系的配方以陶瓷基板粉料的重量百分比为基准，包括40-50wt%的溶剂，所述溶剂为乙醇和二甲苯以质量比1:1或1:2比例混合的混合物；3-5wt%的分散剂，所述分散剂为三油酸甘油酯，蓖麻油，司盘80中的一种或几种；6-8wt%的粘结剂，所述粘结剂为型号B30H和B60H的聚乙烯缩丁醇以质量比1：3混合后的混合物；5-8wt%的增塑剂，所述增塑剂为邻苯二甲酸二乙酯，邻苯二甲酸二丁酯，聚已二醇的一种或几种。

将陶瓷基板粉料与溶剂和分散剂混合后加入到球磨机中进行一次球磨，一次球磨时间为8-24h，之后加入粘结剂和增塑剂进行二次球磨，二次球磨16-24h；将球磨后的浆料进行真空脱泡15-20min，然后将真空脱泡后的浆料流延成型并干燥得到陶瓷基板生坯。

制备纳米氧化铝浆料，纳米氧化铝浆料包括30-90wt%的纳米氧化铝，其余为第二有机体系；所述第二有机体系包括85-90wt%的松油醇、2-5wt%的乙基纤维素、6-10wt%的邻苯二甲酸二丁酯和0.1-0.5wt%的流平剂。

本发明的氧化铝陶瓷基板的烧结方法采用隔板烧结，将氧化铝陶瓷基板坯片与隔烧板层叠后隔烧，所述隔烧板为表面涂敷有纳米氧化铝粉末的隔烧板，隔烧板可以采用现有技术中常用的隔烧板，例如99瓷氧化铝片；将纳米氧化铝浆料以丝网印刷的方式涂敷于隔烧板的两面上，涂层厚度在20μm左右，之后在500-900℃下保温1-2h排胶后即可；将两面涂敷有纳米氧化铝浆料的隔烧板在烧结炉中烘干后切割成与陶瓷基板生坯相匹配的尺寸并与生坯隔层叠放后放入烧结炉中烧结，先以75℃/h的升温速率升温至600℃保温2h进行排胶，再以120℃/h的升温速率升温至1500℃至1700℃进行烧结，且保温3h；冷却后分离出烧结好的陶瓷片，将陶瓷片进行喷砂、水洗和干板，所述喷砂为采用石英砂喷砂且喷射压力位0.4Mpa，水洗和干板在专用设备中完成，水洗压力为0.3Mpa，干板采用80℃的热风干板；最后将经过处理的陶瓷片叠层后再次放入烧结炉中以120℃/h的升温速率升温至1350-1600℃进行复烧，复烧后即获得本发明的氧化铝陶瓷基板。

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

首先制备第一烧结助剂XCaO·YMgO·ZSiO₂，X=0.3、Y=0.2、Z=0.5（X：Y：Z为质量比），按照上述配比分别称取CaO、MgO、SiO₂后混合，放入球磨机中进行滚磨分散4h，然后在1500℃下熔化后直接进行淬水冷得到第一烧结助剂的玻璃碎片，然后将玻璃碎片进行湿法球磨24h，湿法球磨过程中以水为介质，干燥过筛后得到粒径为2μm左右的第一烧结助剂。

之后，按照一定的陶瓷基板粉料配方，称取氧化铝粉料95g，第一烧结助剂4g，第二烧结助剂BaO为1g。

配置第一有机体系，溶剂：乙醇25g，二甲苯25g；分散剂：三油酸甘油酯3g；粘结剂：7.5g聚乙烯缩丁醇，以商购型号B30H和B60H以质量比1:3加入；增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇以质量比1:1的混合物5g。

将上述配置好的陶瓷基板粉料、溶剂和分散剂放入球磨机中进行一次球磨12h，加入粘结剂和增塑剂进行二次球磨12h，接着真空脱泡20min后采用流延工艺成型并干燥，得到氧化铝陶瓷基板生坯。

配置第二有机体系，称取松油醇100g，乙基纤维素4g，邻苯二甲酸二丁酯8g，流平剂0.5g，混合后搅拌均匀。

在三辊研磨机上，加入适量的第二有机体系，辊转动的同时加入262.5g纳米氧化铝粉末，三辊研磨后调节粘度为8000-10000mpa.S，制得纳米氧化铝浆料。

采用丝网印刷的方式在隔烧板的两面印刷20μm左右厚度的纳米氧化铝浆料，隔烧板采用99瓷氧化铝片，之后将涂敷有纳米氧化铝浆料的隔烧板放入烧结炉中，以5℃/min的升温速率，升温至800℃，且保温1h后随炉冷却，之后切割成与氧化铝陶瓷基板生坯相匹配的尺寸，与生坯隔层叠放后一起放入烧结炉中，以75℃/h的升温速率升温至600℃，且保温2h，再以120℃/h的升温速率升温至1500℃进行烧结，且保温3h，冷却后去掉隔烧板分理出陶瓷片，再经过喷砂、水洗和干板后，再将经过处理的陶瓷片叠层后放入烧结炉中以120℃/h的升温速率升温至1400℃进行叠层复烧整平，保温3h，冷却后即可获得本发明的氧化铝陶瓷基板A1。

实施例2：

首先制备第一烧结助剂XCaO·YMgO·ZSiO₂，X=0.4、Y=0.1、Z=0.5（X：Y：Z为质量比），按照上述配比分别称取CaO、MgO、SiO₂后混合，放入球磨机中进行滚磨分散4h，然后在1450℃下熔化后直接进行淬水冷得到第一烧结助剂玻璃碎片，然后将玻璃碎片进行湿法球磨24h，湿法球磨过程中以乙醇为介质，干燥过筛后得到粒径为2μm左右的第一烧结助剂。

之后，按照一定的陶瓷基板粉料配方，称取氧化铝粉料96g，第一烧结助剂3.5g，第二烧结助剂BaO0.5g。

配置第一有机体系，溶剂：乙醇25g，二甲苯25g；分散剂：3g司盘80；粘结剂：7.5g聚乙烯缩丁醇，以型号B30H和B60H以质量比1:3加入；增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇以质量比1:1的混合物5g。

将上述配置好的陶瓷基板粉料、溶剂和分散剂放入球磨机中进行一次球磨10h，加入粘结剂和增塑剂进行二次球磨16h，接着真空脱泡20min后采用流延工艺成型并干燥，得到氧化铝陶瓷基板生坯。

采用丝网印刷的方式在隔烧板的两面印刷20μm左右厚度的纳米氧化铝浆料，隔烧板采用99瓷氧化铝片，之后将涂敷有纳米氧化铝浆料的隔烧板放入烧结炉中，以5℃/min的升温速率，升温至800℃，且保温1h后随炉冷却，之后切割成与氧化铝陶瓷基板生坯相匹配的尺寸，与生坯隔层叠放后一起放入烧结炉中，以75℃/h的升温速率升温至600℃，保温2h，再以120℃/h的升温速率升温至1550℃进行烧结，保温3h，冷却后去掉隔烧板分理出陶瓷片，再经过喷砂、水洗和干板后，再将经过处理的陶瓷片叠层后放入烧结炉中以120℃/h的升温速率升温至1400℃进行叠层复烧整平，保温3h，冷却后即可获得本发明的氧化铝陶瓷基板A2。

实施例3：

首先制备第一烧结助剂XCaO·YMgO·ZSiO₂，X=0.1、Y=0.4、Z=0.5（X：Y：Z为质量比），按照上述配比分别称取CaO、MgO、SiO₂后混合，放入球磨机中进行滚磨分散4h，然后在1450℃下熔化后直接进行淬水冷得到第一烧结助剂玻璃碎片，然后将玻璃碎片进行湿法球磨24h，湿法球磨过程中以乙醇为介质，干燥过筛后得到粒径为2μm左右的第一烧结助剂。

采用丝网印刷的方式在隔烧板的两面印刷20μm左右厚度的纳米氧化铝浆料，隔烧板采用99瓷氧化铝片，之后将涂敷有纳米氧化铝浆料的隔烧板放入烧结炉中，以5℃/min的升温速率，升温至800℃，且保温1h后随炉冷却，之后切割成与氧化铝陶瓷基板生坯相匹配的尺寸，与生坯隔层叠放后一起放入烧结炉中，以75℃/h的升温速率升温至600℃，且保温2h，再以120℃/h的升温速率升温至1600℃进行烧结，且保温3h，冷却后去掉隔烧板分理出陶瓷片，再经过喷砂、水洗和干板后，再将经过处理的陶瓷片叠层后放入烧结炉中以120℃/h的温度升温至1400℃进行叠层复烧整平，保温3h，冷却后即可获得本发明的氧化铝陶瓷基板A3。

对比例1：

制备95瓷氧化铝陶瓷基板，配方为：95g氧化铝，4g氧化钇，1g氧化镁；采用实施例1中的第一有机体系和流延工艺制备陶瓷基板生坯，以隔层撒纳米氧化铝粉末的方式将陶瓷基板生坯与隔烧板隔层叠放并一起放入烧结炉中，以与实施例1同样的方式进行排胶、烧结、复烧工艺，得到陶瓷基板D1。

对比例2：

制备96瓷氧化铝陶瓷基板，配方为：96g氧化铝，3g氧化钇，1g氧化镁。采用实施例2中的第一有机体系和流延工艺制备陶瓷基板生坯，以隔层撒纳米氧化铝粉末的方式将陶瓷基板生坯与隔烧板隔层叠放并一起放入烧结炉中，以与实施例2同样的方式进行排胶、烧结、复烧工艺，得到陶瓷基板D2。

对比例3：

第一烧结助剂为XCaO·YMgO·ZSiO₂，X=0.7、Y=0.1、Z=0.2（X：Y：Z为质量比），其余工艺与实施例1相同制备得到陶瓷基板D3。

对比例4：

第一烧结助剂为XCaO·YMgO·ZSiO₂，X=0.5、Y=0.3、Z=0.2（X：Y：Z为质量比），其余工艺与实施例1相同制备得到陶瓷基板D4。

对陶瓷基板1-6做如下测试，测试结果如表一所示：

体积密度测试：采用GB2493进行体积密度测试。

表面粗糙度测试：采用GB1031进行表面粗糙度测试。

击穿强度测试：按照GB5593中第3.15条直流条件下进行击穿强度测试。

表一：陶瓷基板1-7性能测试结果

	体积密度ρ（单位：g/cm³）	表面粗糙度Ra（单位：μm）	击穿强度（单位：KV/mm）
				A1	3.75	0.32	36
A2	3.73	0.38	33
				A3	3.76	0.36	34
D1	3.53	0.48	20
				D2	3.59	0.56	22
D3	3.52	0.58	18
				D4	3.51	0.60	19

从表一中可以看出：经测试，采用本发明提供的方法制备的氧化铝陶瓷基板A1、A2、A3具有较好的体积密度、表面平滑度和抗击穿强度；而用现有的陶瓷基板粉料配方在本发明的烧结温度下采用隔板烧结撒氧化铝纳米粉的方式制备的陶瓷基板D1、D2其各方面性能均比分发明的陶瓷基板差；陶瓷基板D3、D4采用本发明第一烧结助剂的各组分，但各组分的质量配比与本发明不同，所形成的玻璃态烧结助剂液相温度较高，在本发明的烧结温度下没有形成液相烧结，因此陶瓷基板D3、D4的性能较差。

Claims

1.一种氧化铝陶瓷基板，其特征在于，所述氧化铝陶瓷基板的成分包括重量百分比90-96wt%的氧化铝、3-9wt%wt%的第一烧结助剂和0.5-1.5wt%第二烧结助剂，所述第一烧结助剂的成分为XCaO·YMgO·ZSiO₂，0.1≦X≦0.4，0.1≦Y≦0.4，0.5≦Z≦0.7，X+Y+Z=1，其中X：Y：Z为质量比，所述第二烧结助剂为BaO；所述氧化铝陶瓷基板体积密度大于3.7g/cm³,表面粗糙度小于0.4μm，抗击穿强度大于30KV/mm。

2.一种氧化铝陶瓷基板的制备方法，将陶瓷基板粉料与第一有机体系混合后的浆料制坯、排胶、烧结，所述陶瓷基板粉料包括氧化铝粉料和第一烧结助剂，所述第一有机体系包括溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其特征在于，所述第一烧结助剂的成分为XCaO·YMgO·ZSiO₂，0.1≦X≦0.4，0.1≦Y≦0.4，0.5≦Z≦0.7，X+Y+Z=1，其中X：Y：Z为质量比，所述第一烧结助剂为玻璃态；所述陶瓷基板粉料还包括第二烧结助剂，所述第二烧结助剂为BaO；以陶瓷基板粉料的总重量为基准，所述氧化铝粉料的含量为90-96wt%，第一烧结助剂的含量为3-9wt%，BaO的含量为0.5-1.5wt%。

3.根据权利要求2所述的氧化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述第一烧结助剂的粒径为1-3微米。

4.根据权利要求2所述的氧化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述第一有机体系包括溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂；所述溶剂为乙醇和二甲苯的混合物，所述分散剂为三油酸甘油酯，蓖麻油，司盘80中的一种或几种，所述粘结剂为聚乙烯缩丁醇，增塑剂为邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、聚已二醇的一种或几种。

5.根据权利要求4所述的氧化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，以陶瓷基板粉料的总重量为基准，所述第一有机体系中溶剂的含量占40-50wt%，分散剂的含量占3~5wt%，粘结剂的含量占6~8wt%，增塑剂的含量占5~8wt%。

6.根据权利要求2所述的氧化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述烧结方式为隔板烧结，所述隔板烧结中使用的隔烧板为表面涂敷有纳米氧化铝粉料的隔烧板。

7.根据权利要求6所述的氧化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述表面涂敷有纳米氧化铝粉料的隔烧板的制备方法为将纳米氧化铝粉末与第二有机体系混合制得纳米氧化铝浆料，然后将纳米氧化铝浆料涂敷于隔烧板上并高温排胶得到表面涂敷有纳米氧化铝粉料的隔烧板。

8.根据权利要求7所述的氧化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，纳米氧化铝浆料中，纳米氧化铝的总量为30-90wt%，其余为第二有机体系；所述第二有机体系包括松油醇、乙基纤维素、邻苯二甲酸二丁酯和流平剂；以第二有机体系的总重量为基准，松油醇占85-90wt%，乙基纤维素占2-5wt%，邻苯二甲酸二丁酯占6-10wt%，流平剂占0.1-0.5wt%。