CN109824367A - 一种碳化硅基复合电路板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅基复合电路板及其制备方法，属于电路板技术领域，包括碳化硅基复合基板和印制在所述碳化硅基复合基板上的线路图，所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅50‑60份、玻璃粉20‑28份、填料5‑10份、粘结剂3‑7份、助剂7‑12份。本发明以碳化硅和玻璃粉为主料，配合填料、粘结剂和助剂球磨、超声处理、喷雾造粒、三次烧结制得碳化硅基复合基板。各原料之间分散粘合，基板的热膨胀系数小，机械强度大，稳定性能好，有效提高了基板的合格率，具有积极的推广意义。

Description

一种碳化硅基复合电路板及其制备方法

技术领域

本发明涉及电路板技术领域，具体涉及一种碳化硅基复合电路板及其制备方法。

背景技术

相比于传统硅(Si)材料，碳化硅(SiC)因其更宽的禁带宽度、更高的热导率和更高的临界击穿场强，在大功率开关电路和电力系统应用领域得到了广泛的关注。SiC功率器件最突出的性能优势在于其高压、高频和高温工作特性，可以有效地降低电力电子系统的功率损耗。虽然碳化硅基基板的应用前景广阔，然而在实际生产过程中存在烧结致密度低、原料利用率低等问题，制约着这类材料的大规模使用，急需从原料配制及生产工艺上做进一步的改进。以往的基电路板的典型的散热构造是在基电路板上焊接基板的结构，该基板一般为铜制、铝制。但是，该结构例如在热负荷的情况下，焊接层会因为基板和基电路板的热膨胀系数不同而开裂，其结果是，出现散热不充分、误操作电路上的半导体或半导体破损等问题。

公告号为CN104617204B的专利公开了一种碳化硅基电路板，包括碳化硅陶瓷基板和印制在所述碳化硅陶瓷基板一面或两面的金属线路图；所述碳化硅基电路板的制备方法包括配料步骤、压制成型步骤、烧结步骤、加工清洗步骤、网印步骤和还原步骤。该发明具有散热功效高、散热均匀性好、价格便宜、可用于大功率器件等优点，但是该发明将碳化硅与玻璃釉混合，喷雾造粒，压制，烧结，原料之间的粘结力差，得到的电路板机械强度差。

公开号为CN105367076A的专利文献公开了一种高韧低膨胀系数的氮化铝-碳化硅复合电路板基板材料，该材料将氮化铝和碳化硅粉体混合使用，具备高的导热和安全性，而以季铵盐离子液体、无水乙醇、异己二醇制备的复合溶剂较之传统的有机溶剂表面张力更低，对粉体的浸润性更佳，得到的复合醇基流延浆料气泡少，物料混合紧密均匀，流动性好，易于成型，制得的坯体脱胶和烧结稳定性更佳，加入的纳米氧化锆增韧补强效果显著，再结合烧结助剂及其它原料，使得制备得到的材料烧结活性高，结构细致紧密，不良杂质含量少，导热效率提高，可广泛的用做多种电路板基板。但是，该发明先将坯体进行热处理，然后进行高温烧结，没有进行低温烧结，坯体中容易产生孔，影响基板性能，合格率低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种碳化硅基复合电路板及其制备方法，热膨胀系数小，机械强度大，稳定性能好，有效提高了基板的合格率，具有积极的推广意义。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种碳化硅基复合电路板,包括碳化硅基复合基板和印制在所述碳化硅基复合基板上的线路图，所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅50-60份、玻璃粉20-28份、填料5-10份、粘结剂3-7份、助剂7-12份。

优选的，所述填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，重量比纳米氧化钛：硅酸钙为1:2-3。

优选的，所述粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂25-30份、硅酸钠12-20份、十二烷基氨基丙酸钠5-8份、乙醇42-47份、六亚甲基四胺6-10份、硅烷偶联剂2-6份。

优选的，所述助剂为磷酸三丁酯、氧化铝和木质素磺酸钙的混合物，重量比磷酸三丁酯：氧化铝：木质素磺酸钙为1:0.5-0.8:1-1.5。

优选的，所述碳化硅基复合基板的制备方法包含以下步骤：

S1：将碳化硅、玻璃粉、填料、粘结剂、助剂混合后置于球磨机中球磨，然后进行超声处理，喷雾造粒，制得粉体；

S2：将步骤S1得到的粉体置于压机中压制成型，得到坯体；

S3：将步骤S2得到的坯体置于烧结炉中进行一次烧结、二次烧结和三次烧结，冷却至室温后进行清洗，抛光，即可。

优选的，所述步骤S1中，球磨的转速为120-150r/min，时间为12-15h，超声处理1h，频率30kHz，功率500W。

优选的，所述步骤S3中，一次烧结温度为500-600℃，时间为1-2h；二次烧结温度为1500-1600℃，时间为4-5h；三次烧结温度为700-800℃，时间为2-3h。

优选的，所述的一种用于碳化硅基复合电路板的制备方法，将线路丝网上入网印机，用金属浆将网板上的线路图案印制在所述碳化硅基复合基板上，进入烘干炉中烘干后，在除油槽内除油，然后送入还原炉中还原，出炉冷却后形成碳化硅基复合电路板。

本发明的有益效果是：

本发明包括碳化硅基复合基板和印制在碳化硅基复合基板上的线路图。碳化硅基复合基板以碳化硅和玻璃粉为主料，配合填料、粘结剂和助剂混合而成。碳化硅化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，耐热震、体积小、硬度大、重量轻而强度高，节能效果好。玻璃粉化学性质稳定，具有耐酸碱性、化学惰性、低膨胀系数，分散性好、透明度高、防沉效果好，与碳化硅复合使用，获得更好的耐腐蚀性能和机械性能。

填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，纳米二氧化钛还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性。硅酸钙具有良好的耐火性能和耐腐蚀性能。两种填料与碳化硅和玻璃粉复合，降低基材的热膨胀系数。

粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂、硅酸钠、十二烷基氨基丙酸钠、乙醇、六亚甲基四胺、硅烷偶联剂。酚醛树脂和硅酸钠相结合，具有更强的粘结力和机械强度，耐腐蚀性和耐热性能更好；十二烷基氨基丙酸钠降低表面张力，增强粒子被水润湿的程度，达到更好的分散效果，维持体系的稳定性。六亚甲基四胺提高基材耐酸碱性能，增强化学稳定性。硅烷偶联剂为KH560，增强分子之间的相容性。

助剂为磷酸三丁酯、氧化铝、木质素磺酸钙。磷酸三丁酯作为消泡剂，抑制泡沫产生，提高化学稳定性。氧化铝提高基材的机械强度，防止在烧结过程中出现因内应力而产生的爆裂现象。木质素磺酸钙具有很强的分散性、粘结性、螯合性，提高基材的表面活性，可显著降低表面张力，更容易生成胶团，润湿能力和增溶能力更强。

本发明碳化硅基复合基板的制备将原料进行球磨、超声处理、喷雾造粒后得到的粉体粒度小，具有较好的流动性与压延性，以便在压制成型工序中可以得到具有较好强度、不易分层开裂、致密紧凑的坯体。将坯体经过三次烧结，一次低温烧结便于排出坯体内的气体，二次高温烧结使原料粉体粘结成整体，得到强度更高的基板，三次烧结，提高基板的纯度，大大降低了废品率。

本发明以碳化硅和玻璃粉为主料，配合填料、粘结剂和助剂球磨、超声处理、喷雾造粒、三次烧结制得碳化硅基复合基板。各原料之间分散粘合，基板的热膨胀系数小，机械强度大，稳定性能好，有效提高了基板的合格率，具有积极的推广意义。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种碳化硅基复合电路板,包括碳化硅基复合基板和印制在所述碳化硅基复合基板上的线路图，所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅50份、玻璃粉20份、填料5份、粘结剂3份、助剂7份。

所述填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，重量比纳米氧化钛：硅酸钙为1:2。

所述粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂25份、硅酸钠12份、十二烷基氨基丙酸钠5份、乙醇42份、六亚甲基四胺6份、硅烷偶联剂KH560 2份。

所述助剂为磷酸三丁酯、氧化铝和木质素磺酸钙的混合物，重量比磷酸三丁酯：氧化铝：木质素磺酸钙为1:0.5:1。

所述碳化硅基复合基板的制备方法包含以下步骤：

S1：将碳化硅、玻璃粉、填料、粘结剂、助剂混合后置于球磨机中球磨，然后进行超声处理，喷雾造粒，制得粉体；

S2：将步骤S1得到的粉体置于压机中压制成型，得到坯体；

S3：将步骤S2得到的坯体置于烧结炉中进行一次烧结、二次烧结和三次烧结，冷却至室温后进行清洗，抛光，即可。

所述步骤S1中，球磨的转速为120r/min，时间为15h，超声处理1h，频率30kHz，功率500W。

所述步骤S3中，一次烧结温度为500℃，时间为2h；二次烧结温度为1500℃，时间为5h；三次烧结温度为700℃，时间为3h。

所述的一种用于碳化硅基复合电路板的制备方法，将线路丝网上入网印机，用金属浆将网板上的线路图案印制在所述碳化硅基复合基板上，进入烘干炉中烘干后，在除油槽内除油，然后送入还原炉中还原，出炉冷却后形成碳化硅基复合电路板。

实施例2

本实施例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本实施例中，所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅52份、玻璃粉22份、填料6份、粘结剂4份、助剂8份。

所述填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，重量比纳米氧化钛：硅酸钙为1:2.2。

所述粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂26份、硅酸钠14份、十二烷基氨基丙酸钠6份、乙醇43份、六亚甲基四胺7份、硅烷偶联剂KH560 3份。

所述助剂为磷酸三丁酯、氧化铝和木质素磺酸钙的混合物，重量比磷酸三丁酯：氧化铝：木质素磺酸钙为1:0.6:1.1。

实施例3

本实施例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本实施例中，所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅54份、玻璃粉24份、填料7份、粘结剂5份、助剂9份。

所述填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，重量比纳米氧化钛：硅酸钙为1:2.4。

所述粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂27份、硅酸钠15份、十二烷基氨基丙酸钠6.5份、乙醇44份、六亚甲基四胺7.5份、硅烷偶联剂KH560 3.5份。

所述助剂为磷酸三丁酯、氧化铝和木质素磺酸钙的混合物，重量比磷酸三丁酯：氧化铝：木质素磺酸钙为1:0.6:1.2。

实施例4

本实施例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本实施例中，所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅56份、玻璃粉25份、填料8份、粘结剂5.5份、助剂10份。

所述填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，重量比纳米氧化钛：硅酸钙为1:2.5。

所述粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂28份、硅酸钠16份、十二烷基氨基丙酸钠7份、乙醇45份、六亚甲基四胺8份、硅烷偶联剂KH560 4份。

所述助剂为磷酸三丁酯、氧化铝和木质素磺酸钙的混合物，重量比磷酸三丁酯：氧化铝：木质素磺酸钙为1:0.7:1.2。

实施例5

本实施例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本实施例中，所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅58份、玻璃粉26份、填料9份、粘结剂6份、助剂11份。

所述填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，重量比纳米氧化钛：硅酸钙为1:2.8。

所述粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂29份、硅酸钠18份、十二烷基氨基丙酸钠7.5份、乙醇46份、六亚甲基四胺9份、硅烷偶联剂KH560 5份。

所述助剂为磷酸三丁酯、氧化铝和木质素磺酸钙的混合物，重量比磷酸三丁酯：氧化铝：木质素磺酸钙为1:0.7:1.5。

实施例6

本实施例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本实施例中，所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅60份、玻璃粉28份、填料10份、粘结剂7份、助剂12份。

所述填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，重量比纳米氧化钛：硅酸钙为1:3。

所述粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂30份、硅酸钠20份、十二烷基氨基丙酸钠8份、乙醇47份、六亚甲基四胺10份、硅烷偶联剂KH560 6份。

所述助剂为磷酸三丁酯、氧化铝和木质素磺酸钙的混合物，重量比磷酸三丁酯：氧化铝：木质素磺酸钙为1:0.8:1.5。

实施例7

本实施例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例4不同的是，本实施例中，所述碳化硅基复合基板的制备方法包含以下步骤：

S1：将碳化硅、玻璃粉、填料、粘结剂、助剂混合后置于球磨机中球磨，然后进行超声处理，喷雾造粒，制得粉体；

S2：将步骤S1得到的粉体置于压机中压制成型，得到坯体；

S3：将步骤S2得到的坯体置于烧结炉中进行一次烧结、二次烧结和三次烧结，冷却至室温后进行清洗，抛光，即可。

所述步骤S1中，球磨的转速为130r/min，时间为14h，超声处理1h，频率30kHz，功率500W。

所述步骤S3中，一次烧结温度为550℃，时间为1.5h；二次烧结温度为1550℃，时间为4.5h；三次烧结温度为750℃，时间为2.5h。

实施例8

本实施例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例4不同的是，本实施例中，所述碳化硅基复合基板的制备方法包含以下步骤：

S1：将碳化硅、玻璃粉、填料、粘结剂、助剂混合后置于球磨机中球磨，然后进行超声处理，喷雾造粒，制得粉体；

S2：将步骤S1得到的粉体置于压机中压制成型，得到坯体；

S3：将步骤S2得到的坯体置于烧结炉中进行一次烧结、二次烧结和三次烧结，冷却至室温后进行清洗，抛光，即可。

所述步骤S1中，球磨的转速为150r/min，时间为12h，超声处理1h，频率30kHz，功率500W。

所述步骤S3中，一次烧结温度为600℃，时间为1h；二次烧结温度为1600℃，时间为4h；三次烧结温度为800℃，时间为2h。

本发明中，实施例1-8中，碳化硅和玻璃粉的粒度均为≥200目，玻璃粉含有以下百分含量的化学成分：二氧化硅35-37%，二氧化硼29-30%，二氧化钾6-7.5%，二氧化铝11-12.5%，二氧化钠17.3-19%，二氧化铁0.4-0.7%，其余为不可避免的杂质。

本发明的玻璃粉为硼硅玻璃粉，与粘结剂结合，增大粘结剂的流动性，增强与无机物之间的粘结强度，同时产生大量的玻璃相，提高冲击强度。

对比例1

本对比例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本对比例中，玻璃粉采用一般的玻璃粉T801。

对比例2

本对比例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本对比例中不含玻璃粉。

对比例3

本对比例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本对比例中不含填料。

对比例4

本对比例提供一种碳化硅基复合电路板,与实施例1不同的是，本对比例中不含助剂。

测试方法

依据标准IPC-TM-650在INSTRON5848电子万能试验机上进行室温下的三点弯曲试验，控制模式为位移控制，加载速率2 mm/min，跨距为60 mm，所有试验数据均由电脑自动采集。每个电路板厚度为3mm，测试结果取平均值，见表1。

表1 实施例1-8及对比例1-4基板测试结果

	弯曲强度（Mpa)	CTE（ppm/C）	冲击强度（KJ/cm<sup>3</sup>）
				实施例1	22.58	6.6	16.8
实施例2	22.69	6.7	16.8
				实施例3	23.31	6.2	17.1
实施例4	23.45	6.1	17.3
				实施例5	22.98	6.3	16.9
实施例6	22.74	6.3	16.7
				实施例7	24.52	5.7	17.7
实施例8	23.83	6	17.4
				对比例1	18.25	8.7	13.6
对比例2	14.33	9.5	12.1
				对比例3	16.57	7.9	13.4
对比例4	15.9	7.4	13.8

结合表1，对本发明实施例1-8及对比例1-4碳化硅基复合电路板的性能进行测试，可以看出，实施例1-8碳化硅基复合电路板均表现出良好的综合性能：具有优良的机械性能，弯曲强度在22.58MPa以上，冲击强度在16.7KJ/cm³以上，热膨胀系数小。对比例1采用一般的玻璃粉T801，对比例2缺少玻璃粉，对比例3缺少填料，对比例4缺少助剂，材料的综合性能下降明显，其中对比例2的性能是最差的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种碳化硅基复合电路板,包括碳化硅基复合基板和印制在所述碳化硅基复合基板上的线路图，其特征在于：所述碳化硅基复合基板由以下重量份数原料制成：碳化硅50-60份、玻璃粉20-28份、填料5-10份、粘结剂3-7份、助剂7-12份。

2.如权利要求1所述的一种碳化硅基复合电路板，其特征在于：所述填料为纳米氧化钛和硅酸钙的混合物，重量比纳米氧化钛：硅酸钙为1:2-3。

3.如权利要求1所述的一种碳化硅基复合电路板，其特征在于：所述粘结剂由以下重量份数的成分制成：酚醛树脂25-30份、硅酸钠12-20份、十二烷基氨基丙酸钠5-8份、乙醇42-47份、六亚甲基四胺6-10份、硅烷偶联剂2-6份。

4.如权利要求1所述的一种碳化硅基复合电路板材料，其特征在于：所述助剂为磷酸三丁酯、氧化铝和木质素磺酸钙的混合物，重量比磷酸三丁酯：氧化铝：木质素磺酸钙为1:0.5-0.8:1-1.5。

5.如权利要求1所述的一种碳化硅基复合电路板，其特征在于：所述碳化硅基复合基板的制备方法包含以下步骤：

S1：将碳化硅、玻璃粉、填料、粘结剂、助剂混合后置于球磨机中球磨，然后进行超声处理，喷雾造粒，制得粉体；

S2：将步骤S1得到的粉体置于压机中压制成型，得到坯体；

S3：将步骤S2得到的坯体置于烧结炉中进行一次烧结、二次烧结和三次烧结，冷却至室温后进行清洗，抛光，即可。

6.如权利要求5所述的一种碳化硅基复合电路板，其特征在于：所述步骤S1中，球磨的转速为120-150r/min，时间为12-15h，超声处理1h，频率30kHz，功率500W。

7.如权利要求5所述的一种碳化硅基复合电路板，其特征在于：所述步骤S3中，一次烧结温度为500-600℃，时间为1-2h；二次烧结温度为1500-1600℃，时间为4-5h；三次烧结温度为700-800℃，时间为2-3h。

8.如权利要求1-7任意一项所述的一种碳化硅基复合电路板的制备方法，其特征在于：将线路丝网上入网印机，用金属浆将网板上的线路图案印制在所述碳化硅基复合基板上，进入烘干炉中烘干后，在除油槽内除油，然后送入还原炉中还原，出炉冷却后形成碳化硅基复合电路板。