CN111448174B - 粘合陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种粘合陶瓷及其制备方法，更具体地，涉及一种粘合陶瓷及其制备方法，其中，所述粘合陶瓷包括：第一陶瓷基板；以及第二陶瓷基板，所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板彼此粘合而不需要粘附层，并且，包括沿所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的粘合面形成的尺寸为0.01μm至50μm的气孔。

Description

粘合陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种粘合陶瓷及其制备方法，更具体地，涉及一种无需粘附层即可实现粘合的粘合陶瓷及其制备方法。
背景技术
电子部件、生物材料、耐热耐磨结构部件等领域广泛应用各种陶瓷材料。当使用陶瓷材料时，只有在特殊情况下单独使用陶瓷材料，通常都是通过陶瓷材料之间的粘合及陶瓷材料与金属材料之间的粘合等来进行应用。通常由环氧树脂等制成的粘合剂来实现陶瓷材料之间的粘合及陶瓷材料与金属材料之间的粘合。
另外，与25℃的温度条件相比，在80℃的温度条件下环氧树脂的粘合强度将会降低到一半以下。因此，难以在高温环境下使用传统的陶瓷粘合，并且因粘合强度低而难以应用于要求在高温环境下具备高强度的领域。
发明内容
要解决的技术问题
本发明的目的在于解决上述问题，即提供一种不需要额外的粘附层，在高温环境中具有高强度的粘合陶瓷及其制备方法。
然而，本发明要解决的问题并非受限于上述言及的问题，未言及的其他问题能够通过以下记载由本领域普通技术人员所明确理解。
解决问题的技术方法
根据本发明的一实施例的粘合陶瓷包括：第一陶瓷基板；以及第二陶瓷基板，所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板彼此粘合而不需要粘附层，并且，包括沿所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的粘合面形成的尺寸为0.01μm至50μm的气孔。
根据一侧面，可以包括跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的晶粒。
根据一侧面，跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的晶粒的尺寸可以是0.1μm至100μm。
根据一侧面，所述第一陶瓷基板及第二陶瓷基板可以分别包括从碳化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化硅、氧化锆增韧氧化铝、氧化镁、堇青石、莫来石及堇青石中选择的至少一种。
根据一侧面，所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板可以是相同材料，并且不包括异种材料。
根据一侧面，还包括多个陶瓷基板，所述多个陶瓷基板可以叠层粘合在所述第一陶瓷基板或第二陶瓷基板上而不需要粘附层。
根据一侧面，所述第一陶瓷基板及第二陶瓷基板的厚度可以分别是1mm至100mm。
根据一侧面，所述粘合陶瓷的总厚度可以是2mm至200mm。
根据一侧面，可以具有单块(bulk)陶瓷基板强度的70％以上。
根据本发明的一实施例的粘合陶瓷的制备方法包括以下步骤：抛光第一陶瓷基板的一面及第二陶瓷基板的一面；以及粘合所述抛光的第一陶瓷基板的一面及所述抛光的第二陶瓷基板的一面从而实现接触。
根据一侧面，在所述粘合步骤中，可以形成跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的晶粒。
根据一侧面，跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板形成的晶粒的尺寸可以是0.1μm至100μm。
根据一侧面，所述粘合步骤是在所述第一陶瓷基板的熔化温度的60％至90％的温度范围和所述第二陶瓷基板的熔化温度的60％至90％的温度范围的重叠温度范围内执行，并且，可以在0.1kg/cm2至100kg/cm2的压力条件下执行。
根据本发明的一实施例的包含粘合陶瓷的应用，以上所述的粘合陶瓷或通过以上所述的粘合陶瓷的制备方法来制备的粘合陶瓷适用于从航天产业的反射镜、观察窗及半导体产业中固定晶圆的真空吸盘中选择的至少一个。
发明的效果
根据本发明的粘合陶瓷通过材料本身的晶粒生长来进行粘合，而无需使用粘合材料，因此其具有优异的强度并可在高温环境中使用，可以适用于从航天产业的反射镜、观察窗及半导体产业中固定晶圆的真空吸盘中选择的至少一个。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的粘合陶瓷的粘合面的SEM图像。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。在说明本发明的过程中，当判断对于相关公知功能或者构成的具体说明不必要地混淆本发明的要旨时，省略对其进行详细说明。并且，本说明书中使用的术语用于准确地表达本发明的优选实施例，能够根据使用者、利用者的意图或者本发明所属技术领域的惯例有所不同。由此，对于本术语的定义应根据本说明书的整体内容进行定义。显示在各附图中的相同的附图标记表示相同的结构要素。
在整体说明书中，当记载某个部件位于其他部件“上”时，不仅表示某一部件接触其他部件的情况，也包括两个部件之间存在其他部件的情况。
在整体说明书中，当说明某一部分“包括”某一构成要素时，不表示排除其他构成要素，还能够包括其他构成要素。
以下，参照实施例及附图对本发明的粘合陶瓷及其制备方法进行具体说明。然而，本发明并非限定于上述实施例及附图。
根据本发明的一实施例的粘合陶瓷包括：第一陶瓷基板；以及第二陶瓷基板，所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板无需粘附层即可彼此粘合，包括沿所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的粘合面形成的尺寸为0.01μm至50μm的气孔。
根据本发明的一实施例的粘合陶瓷，在粘合面没有观察到粘合边界线(边界层)，并且，仅包括沿粘合面形成的气孔。
根据一侧面，可以包括跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的晶粒。
根据本发明的粘合陶瓷是不使用粘合剂的无粘附层的粘合陶瓷，并且，通过陶瓷材料本身的晶粒生长来形成跨两个陶瓷基板的晶粒。因此，根据本发明的粘合陶瓷具有优异的强度，并其可以在高温环境中使用。
根据一侧面，跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的晶粒的尺寸可以是0.1μm至100μm。
在粘合前，所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的各自的粘合面上形成有晶粒。当所述各自的粘合面的晶粒尺寸太小或太大时，可能会出现无法形成跨所述两个陶瓷基板的晶粒的问题。因此，优选地，最终生成的跨所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的晶粒尺寸为0.1μm至100μm。
根据一侧面，所述第一陶瓷基板及第二陶瓷基板可以分别包括从碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN4)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化锆(ZrO2)、氧化硅(SiO2)、氧化锆增韧氧化铝(Zirconia Toughened Alumina，ZTA)、氧化镁(MgO)、堇青石、莫来石及堇青石中选择的至少任一种。但是，并不限于此。
根据一侧面，所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板可以是相同材料，并且，可以不包括异种材料。即，当对不使用异种材料的根据本发明的一实施例的陶瓷材料进行分析时，没有检测到异种材料。
根据一侧面，还包括多个陶瓷基板，所述多个陶瓷基板无需通过粘附层即可粘合在所述第一陶瓷基板或第二陶瓷基板上。
如上所述，该叠层通过晶粒生长来实现，并且，多个陶瓷基板的晶粒通过跨各个边界面的晶粒来粘合。
根据一侧面，所述第一陶瓷基板及第二陶瓷基板的厚度可以分别是1mm至100mm。
根据一侧面，所述粘合陶瓷的总厚度可以是2mm至200mm。
根据一侧面，所具有的强度可以是单块(bulk)陶瓷基板的70％以上。
陶瓷基板根据其类型具有最佳厚度，当其厚度太薄或太厚时会大大降低陶瓷基板的强度，导致易于破碎的问题。然而，根据本发明的粘合陶瓷不需要粘附层就可以彼此粘合，因此可以自由地控制粘合陶瓷的整体厚度，并且，所具有的强度可以是单块(bulk)陶瓷基板的70％以上。
根据本发明的一实施例的粘合陶瓷的制备方法包括以下步骤：抛光(polishing)第一陶瓷基板的一面及第二陶瓷基板的一面；以及对所述抛光的第一陶瓷基板的一面及所述抛光的第二陶瓷基板的一面进行粘合使其接触。
根据一侧面，在所述粘合步骤中，可以形成跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的晶粒。
根据一侧面，所形成的的跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的晶粒的尺寸可以是0.1μm至100μm。
根据本发明的粘合陶瓷的制备方法是不使用粘合材料的无粘附层的粘合陶瓷制备方法。更详细地，对位于陶瓷材料的各个一面的晶粒进行抛光使其变得尽可能没有弯曲之后，通过将所述抛光的一面进行粘合，使得通过两个陶瓷基板的被抛光晶粒的生长形成跨两个陶瓷基板的晶粒。由此可以实现具有优异强度并可在高温环境中使用的粘合陶瓷。
根据一侧面，所述粘合步骤，可以在所述第一陶瓷基板的熔化温度的60％至90％的温度范围和所述第二陶瓷基板的熔化温度的60％至90％的温度范围的重叠温度范围内执行，并且，可以在0.1kg/cm2至100kg/cm2的压力条件下执行。
温度的选择与各个材料的熔化温度成比例，适合的温度为熔化温度的60％至90％。当在超过熔化温度的90％的温度条件下进行所述粘合步骤时，可能会出现材料的极端变形或熔化等问题；当在低于熔化温度的60％的温度条件下进行时，由于无法实现充分的扩散，因此可能会出现无法粘合的问题。
例如，当第一陶瓷基板的熔化温度为100℃、第二陶瓷基板的熔化温度为120℃时，可以在72℃至90℃的温度范围内执行粘合步骤。
又例如，当第一陶瓷基板及第二陶瓷基板为碳化硅时，可以在700℃至2500℃的温度范围内，更优选地，在1700℃至2300℃的温度范围内执行粘合步骤。
另外，当在超过100kg/cm2的负载条件下执行粘合步骤时，材料可能会发生极端变形；当在小于0.1kg/cm2的负载条件下时，由于无法实现充分的扩散，因此可能会出现无法粘合的问题。
根据本发明的一实施例的粘合陶瓷或根据本发明一实施例的粘合陶瓷的制备方法来制备的粘合陶瓷可以适用于从航天产业的反射镜、观察窗及半导体产业中固定晶圆的真空吸盘中选择的至少一个。
尤其，可以使用本发明的粘合陶瓷作为航天产业的反射镜。应用于航天产业的陶瓷基板必须在恶劣的环境条件下保持其强度。如上所述，由于根据本发明的粘合陶瓷通过材料本身的晶粒生长来进行粘合，而无需使用粘合材料，因此其具有优异的强度，并可用于高温环境。即，可以使用本发明的粘合陶瓷作为航天产业的反射镜。
下面，将参照以下实施例和比较例对本发明进行详细说明。
然而，以下实施例仅用于说明本发明，本发明的内容并不限于下述实施例。
实施例
对粒径约为10μm、厚度为2mm的两个碳化硅的粘合面进行抛光(Polishing)，并以被抛光面相互面对的方式进行层叠，并在2000℃的温度及10kg/cm2的负荷下维持了10小时。
比较例
对粒径为3μm、厚度为2mm的两个碳化硅的粘合面进行抛光(Polishing)，并以被抛光面相互面对的方式进行层叠，并在2000℃的温度及10kg/cm2的负荷下维持了10小时。
图1为根据本发明一实施例的粘合陶瓷粘合面的SEM图像。
参照图1可以看出，根据实施例制备的粘合陶瓷包括跨第一碳化硅基板100及第二碳化硅基板200的晶粒300。此外，可以看出，没有观察到粘合边界线(边界层)，在陶瓷的粘合面只观察到气孔400。这意味着第一碳化硅100基板和第二碳化硅200基板在不使用粘合剂的情况下实现粘合。
与此相反，确认了根据比较例制备的粘合陶瓷没有实现任何粘合。这意味着晶粒的尺寸太大，无法实现扩散。
表1为根据本发明的一实施例的粘合陶瓷和未执行粘合的单块(bulk)碳化硅基板的强度的表。
[表1]
No. 块体材料(MPa) 粘合材料(MPa)
1 366 330
2 369 339
3 375 331
4 365 328
5 373 335
平均 367 332
参照上述表1，可以看出，根据本发明的实施例的粘合碳化硅基板的粘合材料，与单块(bulk)陶瓷基板相比，其强度可以达70％以上。
此外，当通过X射线能量色散光谱(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS)来分析根据本发明的实施例的粘合陶瓷时，确认到在所选区域的粘合面上除了硅(Si)和碳(C)，没有其他异质材料，这意味着两个碳化硅基板在没有粘合剂的情况下相互粘合。
综上，通过有限的附图对实施例进行了说明，本领域的普通技术人员能够对上述记载进行多种修改与变形。例如，所说明的技术以与所说明的方法不同的顺序执行，和/或所说明的构成要素以与所说明的方法不同的形态结合或组合，或者，由其他构成要素或等同物进行替换或置换也能够获得相同的效果。由此，其他体现、其他实施例及权利要求范围的均等物全部属于专利权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种粘合陶瓷，其特征在于，包括：
第一陶瓷基板；以及
第二陶瓷基板，
所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板彼此粘合而不需要粘附层，
包括沿所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的粘合面形成的尺寸为0.01μm至50μm的气孔，
晶粒生长以连接所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板，从而使所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板粘合，
跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的所述晶粒的尺寸为0.1μm至100μm。
2.根据权利要求1所述的粘合陶瓷，其特征在于，
所述第一陶瓷基板及第二陶瓷基板分别包括从碳化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化硅、氧化锆增韧氧化铝、氧化镁、堇青石、莫来石及堇青石中选择的至少任一种。
3.根据权利要求1所述的粘合陶瓷，其特征在于，
所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板是相同材料，并且不包括异种材料。
4.根据权利要求1所述的粘合陶瓷，其特征在于，还包括：
多个陶瓷基板，
所述多个陶瓷基板叠层粘合在所述第一陶瓷基板或第二陶瓷基板上而不需要粘附层。
5.根据权利要求1所述的粘合陶瓷，其特征在于，
所述第一陶瓷基板及第二陶瓷基板的厚度分别为1mm至100mm。
6.根据权利要求1所述的粘合陶瓷，其特征在于，
所述粘合陶瓷的总厚度为2mm至200mm。
7.根据权利要求1所述的粘合陶瓷，其特征在于，
所述粘合陶瓷具有的强度是单块所述陶瓷基板强度的70％以上。
8.一种粘合陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
抛光第一陶瓷基板的一面及第二陶瓷基板的一面；以及
粘合所述抛光的第一陶瓷基板的一面及所述抛光的第二陶瓷基板的一面从而实现接触，
在所述粘合步骤中，通过晶粒跨所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的生长来形成所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的粘合，
所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板包括沿所述第一陶瓷基板和所述第二陶瓷基板的粘合面形成的气孔，每一所述气孔的尺寸为0.01μm至50μm。
9.根据权利要求8所述的粘合陶瓷的制备方法，其特征在于，
在所述粘合步骤中，
形成跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板的所述晶粒。
10.根据权利要求9所述的粘合陶瓷的制备方法，其特征在于，
跨所述第一陶瓷基板及所述第二陶瓷基板形成的所述晶粒的尺寸为0.1μm至100μm。
11.根据权利要求8所述的粘合陶瓷的制备方法，其特征在于，
所述粘合步骤，
是在所述第一陶瓷基板的熔化温度的60％至90％的温度范围和所述第二陶瓷基板的熔化温度的60％至90％的温度范围的重叠温度范围内执行，
在0.1kg/cm2至100kg/cm2的压力条件下执行。
12.一种包含粘合陶瓷的部件，其特征在于，
包括权利要求1至权利要求7中任一项所述的粘合陶瓷或通过权利要求8至权利要求11中任一项所述的粘合陶瓷的制备方法制备的粘合陶瓷，
所述部件是从航天产业的反射镜、观察窗及半导体产业的用于固定晶圆的真空吸盘中选择的至少一个。
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