CN113185270A - 一种陶瓷基印制电路板及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷基印制电路板，包括从下至上依次贴合的陶瓷基板、覆铜层、覆合层；所述的陶瓷基板包括如下重量比的各组分：氧化铝：65~85份，氧化硅20~30份，碳化硅20~40份，氧化锰1~5份。还公开了其制备工艺。本发明达到的有益效果是：既能有效降低硬度又能保证良好热传递、降低加工成本。

Description

一种陶瓷基印制电路板及其制备工艺

技术领域

本发明涉及电路板制备技术领域，特别是一种陶瓷基印制电路板及其制备工艺。

背景技术

随着科技的发展，普通的树脂基板印制电路板，越来越无法满足需求。为了不断提高运算速度，芯片的晶体管密度也随之增加，因为如此随之而来的是，封装在载板上芯片的热效应也就因而提高，未出逐渐出现了陶瓷基板印制电路板。

对于陶瓷基板印制电路板而言，陶瓷基板本身的品质，直接影响到整个印制电路板的性能。对于普通陶瓷而言，导热系数通常在0.03W/m.K~2.00W/m.K之间，因为陶瓷的材质不是固定的，所以具体需要根据不同的材质标准、不同的使用目的等来决定。

现有的陶瓷基板中，多采用大量的氧化铝制成，有的含量甚至达到了92%~96%，之所以提高含量，是化学成分越复杂，杂质越多，热导率的降低越明显，这是因为添加了第二种成分和杂质破坏晶体的完整性，并容易引起或产生晶格畸变，畸变和位错，使晶体结构复杂。原始晶格产生了一种类似于热运动的附加“扰动”，从而引起了声子散射的增加。非简谐振动的增加，声子平均自由程减小，导热系数减小。因此采用高含量的氧化铝陶瓷以提高导热心性能。

但是这种氧化铝含量高的陶瓷难以加工，其硬度甚至接近刚玉，要达到到莫氏硬度九级耐磨性要与超硬合金相匹敌，远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。因此只能采用激光进行加工，但是激光加工的成本极高；虽然能提高印制板品质，但是成本却无法降下来。

为此，研发一新型陶瓷基，在适当降低陶瓷基本身的基础上，通过结构增强其散热效果，从而利于机械加工，避免大量激光加工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种既能有效降低硬度又能保证良好热传递、降低加工成本的陶瓷基印制电路板及其制备工艺。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种陶瓷基印制电路板，包括从下至上依次贴合的陶瓷基板、覆铜层、覆合层；

所述的陶瓷基板包括如下重量比的各组分：

氧化铝：65~85份，氧化硅20~30份，碳化硅20~40份，氧化锰1~5份。

优选地，所述的陶瓷基板包括如下重量比的各组分：

氧化铝：65~75份，氧化硅20~25份，碳化硅20~30份，氧化锰1~2份。

进一步地，所述的陶瓷基板的导热系数为50~70W/m·K，洛氏硬度为50~60HRA。即其导热系数要低于纯粹的氧化铝陶瓷，洛氏硬度也低于纯粹的氧化铝陶瓷。降低硬度是为了便于机械加工，降低成本，但不可避免地会带来导热系数的降低；为了避免导热系数达不到要求，因此通过添加氧化硅来增加玻璃相，玻璃体的平均自由程得到提高，让整个陶瓷基板的导热系数随温度的增加成比例地增加。

进一步地，所述的陶瓷基板包括陶瓷板A和陶瓷板B，陶瓷板A呈网孔状，两块陶瓷板B将多块网孔状的陶瓷板A夹持形成陶瓷基板。即通过结构进一步提高散热效果。

一种陶瓷基印制电路板的制备工艺，步骤为：

S1、制备碳化硅多孔陶瓷颗粒粉末；

先称取粒径为5~10um的碳化硅粉末，添加粘合剂，压合并烧结成碳化硅陶瓷，烧结过程中温度低于1200~1400℃；

然后将烧结后成型的碳化硅陶瓷进行破碎研磨，形成粒径为20~60um的碳化硅陶瓷颗粒粉末；

S2、将氧化硅、氧化锰、1~5um粒径的氧化铝、20~60um粒径的碳化硅陶瓷颗粒粉末，并在氟气环境下进行混合，然后进行压合，再进行烧结；

烧结分为三个阶段，第一阶段温度为1200~1400℃，主要烧结氧化硅；第二阶段温度为1400~1800℃，主要烧结氧化铝；第三阶段温度为1800~1950℃，主要烧结碳化硅。

S3、将烧结获得的陶瓷基板打磨后与覆铜层粘合成整体，然后用机械方法先钻孔，再用激光进行简单修孔，对孔进行处理后粘合覆合层。

进一步地，所述的步骤S1中，碳化硅陶瓷并未充分烧结且形成多孔陶瓷，最后研磨成的碳化硅陶瓷颗粒粉末还有4~6个碳化硅颗粒。

进一步地，所述的步骤S2中，温度逐渐由低到高的上升时，氧化硅先烧结且其本身玻璃相程度高，在氧化铝烧结时促进氧化铝更加地玻璃相化；

步骤S2中，第一阶段烧结时间为2~3h，第二阶段烧结时间为2~3h，第三阶段烧结时间为20~30min，避免碳化硅充分烧结，保证多孔度。

进一步地，所述的步骤S2中，在第二烧结阶段，氧化锰与氧化铝同步烧结。

对于陶瓷而言，化学成分越复杂，杂质就越多，导热率就会受到影响，因此本方案主要采用四种主原料。

其中，氧化铝是最为核心的原料，主要实现导热和保证硬度。由于纯度越高的氧化铝陶瓷，硬度非常高，为85HRA左右，而机械合金钻头的洛氏硬度也才在90HRA以上，机械加工的成本高；因此引入碳化硅陶瓷，纯粹的碳化硅陶瓷的洛氏硬度本身也很高（能达到60-80HRA），而本方案的碳化硅陶瓷为未完全烧结的陶瓷，为多孔材料，能在一定程度上降低硬度，但对导热效果也会造成影响。

为了提高导热性能，加入氧化硅的，并通入有氟；氧化硅本身具有良好的玻璃相，而氟能让氧化铝+氧化硅能更好地形成玻璃相，从而提高热导率。

氧化锰，主要用于作色。

本发明具有以下优点：通过设置未完全烧结的带气孔的碳化硅陶瓷粉末降低整个陶瓷的硬度；并且由于碳化硅陶瓷颗粒的粒度比氧化硅颗粒大很多，因此形成的孔一定程度上被氧化铝填充，很大程度降低整个陶瓷的导热率，并且在制备时通过通入氟和引入氧化硅，增加氧化铝的玻璃相化，从而提高导热率；最后得到硬度得到降低，而导热率略有降低的陶瓷基板，既能满足机械加工，降低加工成本，又能进行良好的热传递。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

本方案公开了一种陶瓷基印制电路板，包括从下至上依次贴合的陶瓷基板、覆铜层、覆合层。

陶瓷基板包括陶瓷板A和陶瓷板B，陶瓷板A呈网孔状，两块陶瓷板B将多块网孔状的陶瓷板A夹持形成陶瓷基板。

着重对陶瓷基板的组分、制备工艺进行了设置，如以下实施例所示：

实施例一

一种陶瓷基印制电路板，其中的陶瓷基板包括如下重量比的各组分：

氧化铝：65份，氧化硅20份，碳化硅20份，氧化锰1份。

一种陶瓷基印制电路板的制备工艺，步骤为：

S1、制备碳化硅多孔陶瓷颗粒粉末；

先称取粒径为5um的碳化硅粉末，添加粘合剂，压合并烧结成碳化硅陶瓷，烧结过程中温度低于1200℃；

然后将烧结后成型的碳化硅陶瓷进行破碎研磨，形成粒径为20um的碳化硅陶瓷颗粒粉末，该碳化硅陶瓷粉末并未充分烧结且形成多孔陶瓷，并且研磨成的碳化硅陶瓷颗粒粉末还有4~6个碳化硅颗粒；

S2、将氧化硅、氧化锰、1um粒径的氧化铝、20um粒径的碳化硅陶瓷颗粒粉末，并在氟气环境下进行混合，然后进行压合，再进行烧结；

烧结分为三个阶段，第一阶段温度为1200~1400℃，主要烧结氧化硅，烧结时间为2h；第二阶段温度为1400~1800℃，主要烧结氧化铝和氧化锰，烧结时间为2h；第三阶段温度为1800~1950℃，主要烧结碳化硅，烧结时间为20min。

S3、将烧结获得的陶瓷基板打磨后与覆铜层粘合成整体，然后用机械方法先钻孔，再用激光进行简单修孔，对孔进行处理后粘合覆合层。

然后对导热系数、洛氏硬度进行测量实验：

导热系数测量实验，为了提高测量的准确性，选用本本实施例中的样品，该样品的直径为12.7mm，厚度小于3mm；利用激光闪光法测量大热系数。本实施例测得的导热系数为：67W/m·K。

洛氏硬度测量实验，即压头采用金刚石圆锥体，圆锥角120℃，顶端球面半径0.2mm；基准荷重10kg，总荷重70kg；基准荷重9s，总荷重10s。本实施例测得的洛氏硬度为：52HRA。

实施例二

一种陶瓷基印制电路板，其中的陶瓷基板包括如下重量比的各组分：

氧化铝：70份，氧化硅25份，碳化硅30份，氧化锰2份。

一种陶瓷基印制电路板的制备工艺，步骤为：

S1、制备碳化硅多孔陶瓷颗粒粉末；

先称取粒径为7.5um的碳化硅粉末，添加粘合剂，压合并烧结成碳化硅陶瓷，烧结过程中温度低于1200℃；

然后将烧结后成型的碳化硅陶瓷进行破碎研磨，形成粒径为40um的碳化硅陶瓷颗粒粉末，该碳化硅陶瓷粉末并未充分烧结且形成多孔陶瓷，并且研磨成的碳化硅陶瓷颗粒粉末还有4~6个碳化硅颗粒；

S2、将氧化硅、氧化锰、2.5um粒径的氧化铝、40um粒径的碳化硅陶瓷颗粒粉末，并在氟气环境下进行混合，然后进行压合，再进行烧结；

烧结分为三个阶段，第一阶段温度为1200~1400℃，主要烧结氧化硅，烧结时间为2.5h；第二阶段温度为1400~1800℃，主要烧结氧化铝和氧化锰，烧结时间为2.5h；第三阶段温度为1800~1950℃，主要烧结碳化硅，烧结时间为25min。

S3、将烧结获得的陶瓷基板打磨后与覆铜层粘合成整体，然后用机械方法先钻孔，再用激光进行简单修孔，对孔进行处理后粘合覆合层。

然后对导热系数、洛氏硬度进行测量实验：

导热系数测量实验，为了提高测量的准确性，选用本本实施例中的样品，该样品的直径为12.7mm，厚度小于3mm；利用激光闪光法测量大热系数。本实施例测得的导热系数约为：62W/m·K。

洛氏硬度测量实验，即压头采用金刚石圆锥体，圆锥角120℃，顶端球面半径0.2mm；基准荷重10kg，总荷重70kg；基准荷重9s，总荷重10s。本实施例测得的洛氏硬度约为：55HRA。

实施例三

一种陶瓷基印制电路板，其中的陶瓷基板包括如下重量比的各组分：

氧化铝：85份，氧化硅30份，碳化硅40份，氧化锰5份。

一种陶瓷基印制电路板的制备工艺，步骤为：

S1、制备碳化硅多孔陶瓷颗粒粉末；

先称取粒径为10um的碳化硅粉末，添加粘合剂，压合并烧结成碳化硅陶瓷，烧结过程中温度低于1200~1400℃；

然后将烧结后成型的碳化硅陶瓷进行破碎研磨，形成粒径为20~60um的碳化硅陶瓷颗粒粉末，该碳化硅陶瓷粉末并未充分烧结且形成多孔陶瓷，并且研磨成的碳化硅陶瓷颗粒粉末还有4~6个碳化硅颗粒；

S2、将氧化硅、氧化锰、5um粒径的氧化铝、60um粒径的碳化硅陶瓷颗粒粉末，并在氟气环境下进行混合，然后进行压合，再进行烧结；

烧结分为三个阶段，第一阶段温度为1200~1400℃，主要烧结氧化硅，烧结时间为3h；第二阶段温度为1400~1800℃，主要烧结氧化铝和氧化锰，烧结时间为3h；第三阶段温度为1800~1950℃，主要烧结碳化硅，烧结时间为30min。

S3、将烧结获得的陶瓷基板打磨后与覆铜层粘合成整体，然后用机械方法先钻孔，再用激光进行简单修孔，对孔进行处理后粘合覆合层。

然后对导热系数、洛氏硬度进行测量实验：

导热系数测量实验，为了提高测量的准确性，选用本本实施例中的样品，该样品的直径为12.7mm，厚度小于3mm；利用激光闪光法测量大热系数。本实施例测得的导热系数约为：53W/m·K。

洛氏硬度测量实验，即压头采用金刚石圆锥体，圆锥角120℃，顶端球面半径0.2mm；基准荷重10kg，总荷重70kg；基准荷重9s，总荷重10s。本实施例测得的洛氏硬度约为：59HRA。

从上述三个实施例可以看出：三者的洛氏硬度平均值为五十几，均低于钻头合金的90HRA，利于机械加工。三者的平均导热率在六十几左右，低于高纯度氧化铝的八十几，但并没有过于低，因此在接受范围之内。

上述三个实施例，实施例一至实施例三：导热率在逐渐下降，而硬度却在逐渐上升。导热率下降主要是氧化铝的粒径是1um的倍数增长，一般而言在1umm左右能具有良好的导热率；硬度上升，是以为从实施例一到实施例三，氧化铝的百分比含量在增加，从而导致氧化铝纯度升高。

Claims (9)

1.一种陶瓷基印制电路板，包括从下至上依次贴合的陶瓷基板、覆铜层、覆合层，其特征在于：

所述的陶瓷基板包括如下重量比的各组分：

氧化铝：65~85份，氧化硅20~30份，碳化硅20~40份，氧化锰1~5份。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基印制电路板，其特征在于：所述的陶瓷基板包括如下重量比的各组分：

氧化铝：65~75份，氧化硅20~25份，碳化硅20~30份，氧化锰1~2份。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷基印制电路板，其特征在于：所述的陶瓷基板的导热系数为50~70W/m·K，洛氏硬度为50~60HRA。

4.根据权利要求2所述的一种陶瓷基印制电路板，其特征在于：所述的陶瓷基板包括陶瓷板A和陶瓷板B，陶瓷板A呈网孔状，两块陶瓷板B将多块网孔状的陶瓷板A夹持形成陶瓷基板。

5.一种陶瓷基印制电路板的制备工艺，其特征在于：步骤为：

S1、制备碳化硅多孔陶瓷颗粒粉末；

先称取粒径为5~10um的碳化硅粉末，添加粘合剂，压合并烧结成碳化硅陶瓷，烧结过程中温度低于1200~1400℃；

然后将烧结后成型的碳化硅陶瓷进行破碎研磨，形成粒径为20~60um的碳化硅陶瓷颗粒粉末；

S2、将氧化硅、氧化锰、1~5um粒径的氧化铝、20~60um粒径的碳化硅陶瓷颗粒粉末，并在氟气环境下进行混合，然后进行压合，再进行烧结；

烧结分为三个阶段，第一阶段温度为1200~1400℃，主要烧结氧化硅；第二阶段温度为1400~1800℃，主要烧结氧化铝；第三阶段温度为1800~1950℃，主要烧结碳化硅。

6.S3、将烧结获得的陶瓷基板打磨后与覆铜层粘合成整体，然后用机械方法先钻孔，再用激光进行简单修孔，对孔进行处理后粘合覆合层。

7.根据权利要求5所述的一种陶瓷基印制电路板的制备工艺，其特征在于：所述的步骤S1中，碳化硅陶瓷并未充分烧结且形成多孔陶瓷，最后研磨成的碳化硅陶瓷颗粒粉末还有4~6个碳化硅颗粒。

8.根据权利要求6所述的一种陶瓷基印制电路板的制备工艺，其特征在于：所述的步骤S2中，温度逐渐由低到高的上升时，氧化硅先烧结且其本身玻璃相程度高，在氧化铝烧结时促进氧化铝更加地玻璃相化；

步骤S2中，第一阶段烧结时间为2~3h，第二阶段烧结时间为2~3h，第三阶段烧结时间为20~30min，避免碳化硅充分烧结，保证多孔度。

9.根据权利要求7所述的一种陶瓷基印制电路板的制备工艺，其特征在于：所述的步骤S2中，在第二烧结阶段，氧化锰与氧化铝同步烧结。