CN105948759A - 真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片及其制备方法 - Google Patents

真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片及其制备方法，以质量份数计，原料配比为：氮化铝：稀土氧化物：其他金属氧化物＝80‑100：0‑20：0‑10。本发明提高了氮化铝基片的抗弯强度、致密度、导热性能、显微结构的均匀性，大大提高了基片的使用性能、使用稳定性、使用寿命，本方法制备的氮化铝基片相对于氧化铝基片以及其他方法制备的氮化铝基片具有明显的高热导率和长的使用寿命，可应用于高端精密设备。满足大功率集成电路对封装用基片的要求，在国防、航空航天、通讯、微电子领域内应用前景十分广阔。

Description

真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮化铝基片的制备方法，具体涉及一种真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片及其制备方法。
技术背景
氮化铝最早曾作为一种固氮剂作为化肥，后来氮化铝作为一种先进的结构陶瓷，在金属溶液的浴槽和电解槽衬里、熔融盐类容器、磁光材料、聚合物添加剂、金属基复合材料增强体、主动装甲材料等领域获得广泛应用。
近二三十年来，随着微电子技术的快速发展，尤其是混合集成电路(HIC)和多芯片组件(MCM)对封装材料提出了越来越高的要求，AlN陶瓷具有优良的绝缘性、导热性、耐高温性、耐腐蚀性以及与硅的热膨胀系数相匹配等优点，成为新一代大规模集成电路、半导体模块电路及大功率器件的理想散热和封装材料。作为微电子封装材料，氮化铝陶瓷在汽车电子、航天航空、国防电力、卫星、通讯等领域内应用前景十分广阔。
高电阻率、高热导率、低介电常数以及与硅相匹配的热膨胀系数是集成电路对封装用基片的最基本要求。目前，大功率混合集成电路的基板材料主要是A12O3和BeO陶瓷，但是A12O3陶瓷热导率低，BeO陶瓷生产成本高且具有剧毒性。AlN陶瓷具有良好的综合性能，非常适于电子工业，在陶瓷基板材料中所占比例逐渐增大。
目前，氮化铝基片多采用无压烧结或气压烧结的烧结方式制得，其产品价格低廉，但是热导率低、强度低、使用寿命短，往往不能满足大功率集成电路对封装用基片的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片及其制备方法，提高氮化铝基片的抗弯强度、致密度、导热性能、显微结构的均匀性等，提高基片的使用性能、使用稳定性、使用寿命，对于氧化铝基片以及其他方法制备的氮化铝基片具有明显的高热导率和长的使用寿命，可应用于高端精密设备。
本发明所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片，以质量份数计，原料配比为：
氮化铝：稀土氧化物：其他金属氧化物＝80‐100：0‐20：0‐10。
稀土氧化物为氧化铈、氧化镧、氧化钇、氧化镨或氧化铷中的一种或几种。
金属氧化物为氧化铝、氧化钙或氧化镁中的一种或几种。
氮化铝粉体采用高纯粉体，粒径优选0.3-1.5μm，呈单峰分布的粉体。稀土氧化物优选氧化钇和氧化镧，粉体粒径优选0.6-1.5μm。金属氧化物优选氧化铝、氧化钙和氧化镁，粒径优选0.1-2μm。
高纯粉体为AlN纯度≥99.5％，N含量≥32.7。
所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片的制备方法，制备步骤如下：
将氮化铝、稀土氧化物、金属氧化物均粉碎至0.3～1.5微米，经混合均匀后装模，再经真空热压烧结，得到氮化铝基片。
原料采取在球磨机中干法混磨，采用的研磨介质为氧化铝球，球料质量比为2‐4:1，球磨时间为4‐10h。球料质量比优选为3:1。
球磨机优选滚筒式球磨机和行星式球磨机。
研磨介质中含有球径分别为6‐8mm、12‐16mm、20‐22mm的氧化铝球，三种不同规格的氧化铝球质量比为1:1～3:1。三种不同规格的氧化铝球质量比优选为1:1:1。
装模采用的模具为碳碳纤维模具，尺寸根据基片的大小而定。
真空热压烧结法采用的烧结炉为中频感应热压烧结炉，烧结步骤如下：
将模具放好后，开始抽真空，当真空度达到10PA时开始升温，直到温度升到1300℃‐1400℃后通入氮气，继续升温至1800℃‐2100℃后冷却。高纯氮气为保护气氛。
温度从1300℃‐1400℃升到1800℃‐2100℃过程中通入氮气；炉体压力由0MPa升到5MPa压紧料坯体。炉体压力通过炉体上方液压油缸来调节。
氮气的通入采用逐渐加入的方式，氮气流量压力控制在0.3‐0.5Mpa。
当温度升到1800℃‐2100℃时，炉体压力由5MPa增加到10‐21MPa，保温2‐6h，然后冷却。
稀土氧化物和金属氧化物与氮化铝粉体在高温下形成低熔点共熔体，起到液相烧结的作用，促进基体的致密化，同时降低了烧结温度，防止了大尺寸晶粒的出现，提高了材料的强度和稳定性。
物料混合均匀后，放入碳碳纤维模具中，在中频感应热压烧结炉中开始烧结，具体烧结步骤如下：
(1)装炉后，启动中频感应热压烧结炉，进行抽真空，当真空度达到要求后，开始加热升温，从室温直到1300℃‐1400℃，升温速率为10-15℃/min，优选12℃/min。
(2)当温度到达1300℃‐1400℃后加入氮气，采用逐渐加入的方式，随着温度的升高逐渐加入氮气，氮气流量压力控制在0.3‐0.5Mpa，当温度升高到最高温度点1800℃-2100℃时，炉体上方油缸压力由5MPA加压到10-21MPA，此阶段升温速率为5-10℃/min，优选8℃/min。
(3)当温度到达最高点1800℃-2100℃时，进入保温阶段，油缸压力保持10-21MPa，保温保压时间为2-6h。
(4)保温保压结束后，随炉冷却，温度降低到50℃以下时，取出陶瓷片即得。
本发明真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片及其制备方法，通过合理的配方体系，采用真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片，材料的导热性大大提高，可达120W/(m·K)以上，强度达到300MPa以上，尺寸可达250mm×250mm×20mm，致密度可达到99.4％以上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片及其制备方法，采用真空热压烧结法进行烧结，提高了氮化铝基片的抗弯强度、致密度、导热性能、显微结构的均匀性，大大提高了基片的使用性能、使用稳定性、使用寿命，本方法制备的氮化铝基片相对于氧化铝基片以及其他方法制备的氮化铝基片具有明显的高热导率和长的使用寿命，可应用于高端精密设备。满足大功率集成电路对封装用基片的要求，在国防、航空航天、通讯、微电子领域内应用前景十分广阔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
将氮化铝粉体、氧化钇粉体、氧化铝粉体，按照质量比90:6:4的配比称量后放入滚筒式球磨机中，加入氧化铝球作为研磨球，氧化铝球采取直径分别为6-8mm、12-16mm、20-22mm的三种规格的氧化铝球，按照质量比1:1:1的比例加入，其中，球料质量比为3:1，球磨时间为8h。
混合均匀后，将混合后的粉体放入碳碳纤维模具中，在中频感应热压烧结炉中开始烧结。具体烧结步骤如下：
装炉后，启动中频感应热压烧结炉，进行抽真空，当真空度达到10pa后，开始加热升温，从室温直到1400℃，升温速率为12℃/min。
当温度到达1400℃后，开始加入氮气，采用逐渐加入的方式，氮气流量压力控制在0.3Mpa，此时，炉体上方油缸压力增加到5Mpa,直至温度升高到最高温度点2100℃时，此阶段升温速率为10℃/min。
当温度到达最高点2100℃时，进入保温阶段，炉体上方油缸压力逐渐增大到18MPa，保温时间为4h。
保温结束后，随炉冷却，温度降低到50℃以下，取出陶瓷片即可。
实施例2
将氮化铝粉体、氧化钇粉体、氧化镧粉体、氧化铝粉体，按照质量比100:0:0:0的配比称量后放入滚筒式球磨机中，加入氧化铝球作为研磨球，氧化铝球采取直径分别为6-8㎜、12-16㎜、20-22㎜的三种规格的氧化铝球，按照质量比1:3:1的比例加入。球料质量比为3:1，球磨时间为8h。
混合均匀后，将混合后的粉体放入碳碳纤维模具中，在中频感应热压烧结炉中开始烧结。具体烧结制度如下：
装炉后，启动中频感应热压烧结炉，进行抽真空，当真空度达到10pa后，开始加热升温，从室温直到1400℃，升温速率为12℃/min。
当温度到达1400℃后，开始加入氮气，采用逐渐加入的方式，氮气流量压控制在0.4Mpa.此时，炉体上方油缸压力增加到5Mpa,直至温度升高到最高温度点1800℃此阶段升温速率为8℃/min。
当温度到达最高点1800℃时，进入保温阶段，油缸压力逐渐增大到20MPa，保温时间为2h。
保温结束后，随炉冷却，温度降低到50℃以下时，取出陶瓷片即可。
实施例3
将氮化铝粉体、氧化钇粉体、氧化铈粉体、氧化钙粉体，按照质量比80:8:6：6的配比称量后放入滚筒式球磨机中，加入氧化铝球作为研磨球，氧化铝球采取直径分别为6-8㎜、12-16㎜、20-22㎜的三种规格的氧化铝球，按照质量比1:2:1的比例加入。球料质量比为3:1，球磨时间为8h。
混合均匀后，将混合后的粉体放入碳碳纤维模具中，在中频感应热压烧结炉中开始烧结。具体烧结制度如下：
装炉后，启动中频感应热压烧结炉，进行抽真空，当真空度达到10pa后，开始加热升温，从室温直到1400℃，升温速率为10℃/min。
当温度到达1400℃后，开始加入氮气，采用逐渐加入的方式，氮气流量压力控制在0.5Mpa,此时油缸的压力增加到5Mpa,直至温度升高到最高温度点1850℃，此阶段升温速率为5℃/min。
当温度到达最高点1850℃时，进入保温阶段，炉体上方油缸压力逐渐增大到16MPa，保温时间为6h。
保温结束后，随炉冷却，温度降低到50℃以下时，取出陶瓷片即可。
实施例4
将氮化铝粉、氧化钇粉、氧化镧粉、氧化钙粉，按照质量比9:10:0:0的配比称量后放入滚筒式球磨机中，加入氧化铝球作为研磨球，氧化铝球取直径分别为6-8mm,12-16mm,20-22mm的三种规格的氧化铝球，按照质量比1:1:1的比例加入。球料质量比为3:1，球磨时间为8h。
混合均匀后，将混合后的粉体放入碳纤维模具中，在中频感应热压烧结炉中开始烧结，具体烧结制度如下：
装炉后，启动中频感应热压烧结炉，进行抽真空，当真空度达到10pa后，开始加热升温，从室温直到1400℃，升温速率为10℃/min。
当温度达到1400℃后，开始加入氮气，采用逐渐加入的方式，氮气流量压力控制在0.5Mpa,此时炉体上方油缸的压力增加到5Mpa,直至温度升高到最高温度点2000℃，此阶段速率为10℃/min。
当温度到达最高点2000℃是，进入保温阶段，炉体上方油缸压力逐渐增大到18Mpa,保温时间为4h。
保温结束后，停炉冷却，温度降低到50℃以下时，取出陶瓷片即可。

Claims (10)

1.一种真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片，其特征在于，以质量份数计，原料配比为：
氮化铝：稀土氧化物：其他金属氧化物＝80-100：0-20：0-10。
2.根据权利要求1所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片，其特征在于，稀土氧化物为氧化铈、氧化镧、氧化钇、氧化镨或氧化铷中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片，其特征在于，金属氧化物为氧化铝、氧化钙或氧化镁中的一种或几种。
4.一种权利要求1所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
将氮化铝、稀土氧化物、金属氧化物均粉碎至0.3～1.5微米，经混合均匀后装模，再经真空热压烧结，得到氮化铝基片。
5.根据权利要求4所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片的制备方法，其特征在于，原料采取在球磨机中干法混磨，采用的研磨介质为氧化铝球，球料质量比为2-4:1，球磨时间为4-10h。
6.根据权利要求5所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片的制备方法，其特征在于，研磨介质中含有球径分别为6-8mm、12-16mm、20-22mm的氧化铝球，三种不同规格的氧化铝球质量比为1:1～3:1。
7.根据权利要求4所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片的制备方法，其特征在于，真空热压烧结法采用的烧结炉为中频感应热压烧结炉，烧结步骤如下：
将模具放好后，开始抽真空，当真空度达到10PA时开始升温，直到温度升到1300℃-1400℃后通入高纯氮气，继续升温至1800℃-2100℃后冷却。
8.根据权利要求7所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片的制备方法，其特征在于，温度从1300℃-1400℃升到1800℃-2100℃过程中通入氮气；将炉体压力由0MPa升到5MPa压紧料坯体。
9.根据权利要求7或8所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片的制备方法，其特征在于，氮气流量压力控制在0.3-0.5Mpa。
10.根据权利要求8所述的真空热压烧结法制备的氮化铝陶瓷基片的制备方法，其特征在于，当温度升到1800℃-2100℃时，炉体压力由5MPa增加到10-21MPa，保温2-6h，然后冷却。
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