CN105130481B

CN105130481B - 一种金属陶瓷复合基板及其制备工艺

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Publication number: CN105130481B
Application number: CN201510402889.0A
Authority: CN
Inventors: 王双喜; 王文君; 张丹
Original assignee: Shantou University
Current assignee: Shantou University
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: CN105130481A

Abstract

本发明涉及一种金属陶瓷复合基板及其制备工艺，包括陶瓷、玻璃和金属三相，所述陶瓷相和所述玻璃相均匀混合分布构成陶瓷基体；所述金属相为金属纤维熔融或半熔融后形成；所述金属相互相熔接在一起，在所述陶瓷基体内形成相互连接贯通的三维网络散热通道。制备工艺包括将陶瓷粉体、金属纤维和低温玻璃烧结助剂混合后再加溶剂、粘结剂、分散剂、增塑剂、消泡剂和成膜助剂，球磨混合均匀后真空脱泡，流延成型，再干燥与排胶，最后烧结。本发明在保持高热匹配性能的前提下，大大提高基板的散热能力，采用流延成型和低温烧结工艺，解决了压铸或压渗设备效率低、金属与陶瓷润湿困难、金属相在基板内连接不连续等问题。

Description

一种金属陶瓷复合基板及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种高导热复合陶瓷基板，属于电子封装材料领域。

背景技术

散热基板是电子封装中的重要基础支撑部件，目前常用的散热基板材料包括PCB、硅、金属(如铝，铜)、陶瓷(如Al₂O₃，AlN，SiC)和复合材料等。传统使用的PCB板封装基座的热导率仅约为0.36W/mK，已经远远不能满足大功率电子封装基板的散热要求。由于硅材料基板有加工困难、成本高的缺点，也很难满足大功率电子封装基板要求。单一金属材料（主要是Al、Cu）基板由于其热膨胀系数与芯片不匹配，比如铝基板热膨胀系数是LED芯片热膨胀系数的5倍之多，这将使得大功率LED工作时，金属基板与LED芯片的热应力太大，容易引起芯片断裂失效，单一材料基板很多场合下无法满足封装的需求。陶瓷基板是一种理想的基板材料，其热膨胀系数与硅芯片相匹配且具有较高的热导率，随着微电子技术的不断发展，大功率模块电路集成度不断提高以及大功率LED的发展，陶瓷基板的市场需求越来越大。但高温烧结的陶瓷材料烧结困难、成本高；低温烧结氧化铝陶瓷热导率较低。

专利CN201110083293.0 采用高压熔渗法在750-1100℃、 20-50MPa下将熔融铝合金填充多孔陶瓷坯体和模腔,凝固后得到选择性增强的铝基复合材料，该方法制备的高导热复合材料由于工艺复杂、压铸或压渗工艺效率低，成本难以被工业界接受。专利CN201410755066.1提供了一种高SiC含量的电子封装用SiC／Al 复合材料的制备方法，该方法将SiC粉与Al粉混合，采用热压成型及半固态触变处理工艺，虽然显著改善了生产效率，可以批量生产，但半固态触变处理工艺复杂，且陶瓷相在基板内连接不连续Al金属相与SiC相发生分离在基板内分布不均匀，其热膨胀性能没有体现出陶瓷基板的优势。

发明内容

本发明目的在于提供一种金属陶瓷复合基板解决目前散热基板热匹配性不足或成本很难满足大功率电子封装基板要求等问题。

为了实现上述目的，采用如下的技术方案：一种金属陶瓷复合基板，由陶瓷、玻璃和金属三相组成，所述陶瓷相和所述玻璃相均匀混合分布构成陶瓷基体；所述金属相为金属纤维熔融或半熔融后形成；所述金属相互相熔接在一起，在所述陶瓷基体内形成相互连接贯通的三维网络散热通道。

进一步的，所述金属陶瓷复合基板由体积百分比30~50%的陶瓷粉体、30~40%的低温玻璃烧结助剂和10~40%的金属纤维原料混合后烧结制备。

进一步的，所述陶瓷的粉体为氧化铝陶瓷、堇青石陶瓷、多元电子陶瓷中的一种或多种。

进一步的，所述金属纤维为高导热金属纤维，直径为1~20μm，长径比为5~25。如果太短形不成三维网络，太长则混料困难。

进一步的，所述金属纤维为铝及其合金纤维的一种或多种。这类金属纤维高导热且熔点相对比较低，低温烧结时易处于熔融与半熔融的状态。

进一步的，所述金属纤维为铜及其合金纤维的一种或多种。这类金属纤维高导热且熔点相对比较低，低温烧结时易处于熔融与半熔融的状态。

进一步的，所述玻璃烧结助剂为ZnO-B₂O₃-SiO₂系低熔点玻璃。

本发明的另一目的是提供了一种金属陶瓷复合基板的制备工艺，以解决目前国内散热基板压铸或压渗工艺效率低、金属与陶瓷润湿困难、金属相在基板内连接不连续等问题。

为了实现上述目的，采用如下的技术方案：一种金属陶瓷复合基板的制备工艺，包括以下步骤：

步骤一，按体积百分比分别称取的陶瓷粉体30~50份、低温玻璃烧结助剂30~40份和金属纤维10~40份，充分混合均匀成混合粉体；

步骤二，将步骤一所得混合粉体按照如下的质量比例与其他添加剂混合、球磨以配制水基浆料：

水：12% ~ 15%，

混合粉体：50% ~ 70%，

粘结剂：9% ~ 30%，

增塑剂：5% ~ 6%，

分散剂：0.5% ~ 1%，

消泡剂：0.01% ~ 0.1%，

成膜助剂：0.05% ~ 0.5%；

步骤三，将步骤二所得水基浆料真空脱泡处理；

步骤四，将步骤三所得浆料在流延机上流延成型；形成0.5~3mm 厚的陶瓷生带；

步骤五，将陶瓷生带按照要求切成一定大小，送入窑炉加热排胶，升温至500℃，保持1h，排胶后得到陶瓷坯片；

步骤六，将步骤五所得陶瓷坯片在氮气或惰性气体保护下，在所述金属纤维熔点附近范围内低温烧结1~3h。

进一步的，所述分散剂为三油酸甘油酯、所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛、所述增塑剂为聚乙二醇。

进一步的，所述低温烧结的温度为600~900℃。采用铝及其合金纤维的一种或多种作为金属纤维原料时，玻璃烧结助剂为熔点低于650℃的ZnO-B₂O₃-SiO₂系烧结助剂，基板烧结温度在600~700℃之间。采用铜及其合金纤维的一种或多种为金属纤维原料时，玻璃烧结助剂为熔点低于800℃的ZnO-B₂O₃-SiO₂系烧结助剂，基板烧结温度在700~900℃之间。

通过在陶瓷原料中加入高导热金属纤维材料, 先将包含金属纤维的陶瓷原料流延成型为陶瓷生带，通过添加玻璃烧结助剂使烧结温度降低到金属纤维熔点附近范围内，烧结过程中金属纤维处于熔融与半熔融的状态最后相互熔接在一起（金属处于熔融状态时的渗透性更好，金属之间相互连接的机率更高）从而在整个陶瓷基板内形成了相互连接贯通的三维网络高速散热通道，在保持高热匹配性能的前提下，大大提高了基板的散热能力。

本发明中采用流延工艺，方便金属纤维在无外力干预条件下随机排布，纤维分布自然，有利于金属纤维在基板内形成相互连接贯通的三维网络。跟常用粉末压力成型工艺相比效率更高，适于大批量生产（压力成型时纤维容易择优取向，而不易成为三维网络）。

与现有技术相比，本发明在陶瓷原料中加入高导热金属纤维材料，采用流延成型工艺制备陶瓷生带，采用低温烧结工艺，烧结后金属纤维发生部分或全部熔融，且相互熔接在一起，形成了金属相在整个三维空间内相互连接贯通的高速散热通道。该工艺相比传统的熔融金属渗透多孔陶瓷制备的金属陶瓷复合基板，在保持陶瓷低膨胀特性的同时，解决了压铸或压渗工艺效率低、金属与陶瓷润湿困难、金属相在基板内连接不连续等问题，具有工艺简单、散热能力强、与芯片热匹配性能好，适合大批量生产，可以应用于大功率LED、高集成电路板等领域的散热基板。

附图说明

图1是本发明的金属陶瓷复合基板生产工艺流程图；

图2是陶瓷基板内部金属相形成三维网络高速散热通道的结构示意图；其中1-金属相，2-陶瓷相，3-玻璃相；

图3是金属陶瓷复合基板断口的SEM图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

按照体积百分比称取纳米Al₂O₃陶瓷粉50份，铜纤维10份，熔点620℃的ZnO-B₂O₃-SiO₂系玻璃烧结助剂40份，均匀混合成混合粉体；再按照质量百分比分别称取混合粉体70%、水14%、聚乙烯醇缩丁醛9%、聚乙二醇6%、三油酸甘油酯0.5%、消泡剂0.01%、成膜助剂0.5%，球磨混合48小时，将球磨好的流延浆料利用真空泵在真空度-0.1Mpa的条件下进行真空脱泡，消除球磨中混入浆体的空气；再将真空脱泡处理过的浆料在流延机上流延成型，形成0.5mm 厚的陶瓷生带，再进行干燥；将干燥后的陶瓷生带切片并送入排胶炉中，升温至温度500℃，保持1h，排胶后得到陶瓷坯片；将陶瓷坯片送入氮气保护的烧结炉中，在700℃温度下，烧结3h后，随炉冷却，即可制得高导热的金属陶瓷复合基板。其中铜纤维的直径为1μm，长径比为5-10。

实施例2

按照体积百分比称取堇青石陶瓷粉30份，铜锌合金纤维40份，市售熔点800℃的ZnO-B₂O₃-SiO₂系玻璃烧结助剂30份，均匀混合成混合粉体；按照质量百分比分别称取混合粉体62%、水13%、聚乙烯醇缩丁醛18%、聚乙二醇6%、三油酸甘油酯0.5%、消泡剂0.01%、成膜助剂0.5%称取原料，球磨混合36小时，制备得到流延浆料；将球磨好的流延浆料利用真空泵在真空度-0.1Mpa的条件下进行真空脱泡，消除球磨中混入浆体的空气；再将真空脱泡处理过的浆料在流延机上流延成型；形成3mm 厚的陶瓷生带，再进行干燥；将干燥后的陶瓷生带切片并送入排胶炉中，分段排胶，升温至温度500℃，保持1h，排胶后得到陶瓷坯片；将陶瓷坯片送入氮气保护的烧结炉中，在900℃温度下，烧结1h后，随炉冷却，即可制得高导热的金属陶瓷复合基板。其中铜及其合金纤维的直径为15μm，长径比为10-15。

实施例3

按照体积百分比称取Al₂O₃陶瓷粉35份，铝纤维30份，市售熔点650℃的ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃烧结助剂35份，充分混合均匀，按照质量百分比分别称取粉体50%、水12%、聚乙烯醇缩丁醛28%、聚乙二醇5.4%、三油酸甘油酯1%、消泡剂0.1%、成膜助剂0.5%，球磨混合24小时，制备得到流延浆料，将球磨好的流延浆料利用真空泵在真空度-0.1Mpa的条件下进行真空脱泡，消除球磨中混入浆体的空气；再将真空脱泡处理过的浆料在流延机上流延成型，形成2.5mm 厚的陶瓷生带，再进行干燥；将干燥后的陶瓷生带切片并送入排胶炉中，分段排胶，升温至温度500℃，保持1h，排胶后得到陶瓷坯片；将陶瓷坯片送入以氮气保护的烧结炉中，在700℃温度下，烧结3h后，随炉冷却，即可制得高导热的金属陶瓷复合基板。其中铝纤维的直径为10μm，长径比为15-20。

实施例4

按照体积百分比称取Al₂O₃陶瓷粉20份，钛酸钡陶瓷粉20份，铝锡合金纤维20份，熔点550℃的ZnO-B₂O₃-SiO₂玻璃烧结助剂40份，充分混合均匀；按照质量百分比分别称取粉体60%、水15%、聚乙烯醇缩丁醛30%、聚乙二醇5%、三油酸甘油酯0.5%、消泡剂0.01%、成膜助剂0.05%，球磨混合18小时，制备得到流延浆料；将球磨好的流延浆料利用真空泵在真空度-0.1Mpa的条件下进行真空脱泡，消除球磨中混入浆体的空气；再将真空脱泡处理过的浆料在流延机上流延成型，形成1.5mm 厚的陶瓷生带，再进行干燥；将干燥后的陶瓷生带切片并送入排胶炉中，分段排胶，升温至温度500℃，保持1h，排胶后得到陶瓷坯片；将陶瓷坯片送入氮气保护的烧结炉中，在600℃温度下，烧结3h后，随炉冷却，即可制得高导热的金属陶瓷复合基板。其中铝合金纤维的直径为20μm，长径比为20-25。

分别按照实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的方法制得的金属陶瓷复合基板组织均如图2所示，由陶瓷2、玻璃3和金属1三相组成；陶瓷相2和玻璃相3均匀混合分布构成陶瓷基体；金属相1为金属纤维在熔融或半熔融状态后互相熔接在一起构成，使金属相1在整个基板内形成相互连接贯通的三维网络散热通道，使基板具有较强的散热能力、与芯片热匹配性能更好。可以应用于大功率LED、高集成电路板等领域的散热基板。

分别按照实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的方法制得的金属陶瓷复合基板断口的SEM图如图3所示，从图3中可以进一步看出金属纤维在熔融或半熔融状态后互相熔接在一起构成，使金属相在整个基板内形成相互连接贯通的三维网络散热通道。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，如采用其他系列的玻璃添加剂、采用有机溶剂配制浆料等，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种金属陶瓷复合基板，包括陶瓷、玻璃和金属三相，其特征在于，所述陶瓷相和所述玻璃相均匀混合分布构成陶瓷基体；所述金属相为金属纤维熔融或半熔融后形成；所述金属相互相熔接在一起，在所述陶瓷基体内形成相互连接贯通的三维网络散热通道；

所述金属陶瓷复合基板的制备工艺，包括以下步骤：

步骤二，将步骤一所得混合粉体按照如下的质量比例混合、球磨以配制水基浆料：

水：12% ~ 15%，

混合粉体：50% ~ 70%，

粘结剂：9% ~ 30%，

增塑剂：5% ~ 6%，

分散剂：0.5% ~ 1%，

消泡剂：0.01% ~ 0.1%，

成膜助剂：0.05% ~ 0.5%；

步骤三，将步骤二所得水基浆料真空脱泡处理；

2.根据权利要求1所述金属陶瓷复合基板，其特征在于，所述陶瓷粉体为氧化铝陶瓷、堇青石陶瓷、多元电子陶瓷中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述金属陶瓷复合基板，其特征在于，所述金属纤维为高导热金属纤维，直径为1~20μm，长径比为5~25。

4.根据权利要求3所述金属陶瓷复合基板，其特征在于，所述金属纤维为铝及其合金纤维的一种或多种。

5.根据权利要求3所述金属陶瓷复合基板，其特征在于，所述金属纤维为铜及其合金纤维的一种或多种。

6.根据权利要求1所述金属陶瓷复合基板，其特征在于，所述低温玻璃烧结助剂为ZnO-B₂O₃-SiO₂系低熔点玻璃。

7.根据权利要求1-6任一项所述金属陶瓷复合基板的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

水：12% ~ 15%，

混合粉体：50% ~ 70%，

粘结剂：9% ~ 30%，

增塑剂：5% ~ 6%，

分散剂：0.5% ~ 1%，

消泡剂：0.01% ~ 0.1%，

成膜助剂：0.05% ~ 0.5%；

步骤三，将步骤二所得水基浆料真空脱泡处理；

8.根据权利要求7所述金属陶瓷复合基板的制备工艺，其特征在于，所述分散剂为三油酸甘油酯，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，所述增塑剂为聚乙二醇。

9.根据权利要求7所述金属陶瓷复合基板的制备工艺，其特征在于，所述低温烧结的温度为600~900℃。