CN116828699A - 陶瓷基板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种陶瓷基板及其制造方法。陶瓷基板的制造方法包括：提供芯层材料及表层材料；使用所述芯层材料流延成形第一芯层生胚及第二芯层生胚，使用所述表层材料流延成形第一表层生胚及第二表层生胚，第一芯层生胚、第二芯层生胚、第一表层生胚及第二表层生胚各自具有机械方向和横向方向。进行压合程序，将所述第一表层生胚、所述第一芯层生胚、所述第二芯层生胚及所述第二表层生胚以不同的方向依序堆叠，以形成叠层结构。烧结所述叠层结构，以获得陶瓷基板。芯层材料包括氧化铝及氧化锆，表层材料包括氧化铝。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷基板及其制造方法，特别是涉及一种用于制造一电路基板的陶瓷基板及其制造方法。
背景技术
传统的陶瓷基板是由单一材料所制成，例如：氧化铝，且通常具有单一结构。因此，传统的陶瓷基板无法兼具不同材料的特性，而具有韧性不足的问题。
为了改善传统的陶瓷基板韧性不佳的问题，现有技术中提出了于氧化铝材料中掺混氧化锆，以形成氧化锆增韧氧化铝(zirconia toughened alumina ceramics，ZTA)基板的方法。
当氧化铝材料中掺混有氧化锆后，氧化铝的晶粒尺寸会缩小。并且，当氧化锆增韧氧化铝基板受到外力而产生裂缝时，氧化锆会受到应力影响，由原本的正方晶相(tetragonal phase)转变为单斜晶相(monoclinic phase)。经相转变后，氧化锆的体积会膨胀，达到缩小裂缝的效果。因此，于氧化铝材料中掺混氧化锆，可达到提升氧化锆增韧氧化铝基板韧性的效果。
然而，在制造氧化锆增韧氧化铝基板的过程中，氧化锆容易团聚，而容易产生分布不均的问题，且此缺陷无法由简易的方式检测出。当氧化锆增韧氧化铝基板应用于电子组件时，分布不均的氧化锆会导致漏电流的产生。
故，如何通过结构设计的改良，来解决现有氧化锆增韧氧化铝基板中氧化锆分布不均的问题，已成为该项事业所欲解决的重要课题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种陶瓷基板及其制造方法。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是提供一种陶瓷基板的制造方法。陶瓷基板的制造方法包括：提供一芯层材料及一表层材料。芯层材料包括氧化铝及氧化锆，表层材料包括氧化铝。使用芯层材料流延成形一第一芯层生胚及一第二芯层生胚，使用表层材料流延成形一第一表层生胚及一第二表层生胚，第一芯层生胚、第二芯层生胚、第一表层生胚及第二表层生胚各自具有一机械方向和一横向方向。进行一压合程序，将所述第一表层生胚、所述第一芯层生胚、所述第二芯层生胚及所述第二表层生胚以不同的方向依序堆叠，以形成一叠层结构。烧结叠层结构，以获得一陶瓷基板。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的另外一技术方案是提供一种陶瓷基板。陶瓷基板是由一叠层结构所烧结形成，叠层结构包括：一第一表层生胚、一第一芯层生胚、一第二芯层生胚及一第二表层生胚。第一芯层生胚、第二芯层生胚、第一表层生胚及第二表层生胚各自具有一机械方向和一横向方向。第一表层生胚、第一芯层生胚、第二芯层生胚及第二表层生胚以不同的方向依序堆叠。第一芯层生胚及第二芯层生胚的材料中各自包含氧化铝及氧化锆，第一表层生胚及第二表层生胚的材料中各自包含氧化铝。
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的陶瓷基板及其制造方法，其能通过“以不同的方向，依序堆叠第一表层生胚、第一芯层生胚、第二芯层生胚及第二表层生胚，经一压合程序后形成一叠层结构”的技术方案，以克服陶瓷基板在机械方向和横向方向上特性不均匀的问题。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明第一实施例陶瓷基板的侧视示意图。
图2为本发明第一实施例陶瓷基板的立体分解图。
图3为本发明陶瓷基板的制造方法的流程示意图。
图4为本发明第二实施例的陶瓷基板的侧视示意图。
图5为本发明第三实施例的陶瓷基板的侧视示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实例来说明本发明所公开有关“陶瓷基板及其制造方法”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
为了克服现有氧化锆增韧氧化铝基板特性不均的问题，本发明提供一种陶瓷基板及其制造方法。本发明的陶瓷基板解决了以往因氧化锆分布不均的问题，还提升了陶瓷基板的体阻抗，进而避免漏电流的产生。本发明的陶瓷基板还具有良好的物理特性，例如：低热膨胀系数、高热传导率、高尺寸稳定度、高体阻抗特性、低介电常数、高介电强度以及高抗折强度。
请参阅图1所示，本发明第一实施例的陶瓷基板1是由一叠层结构烧结所形成。叠层结构包括依序堆叠的一第一表层生胚10、一第一芯层生胚20、一第二芯层生胚30及一第二表层生胚40，第一芯层生胚20及第二芯层生胚30设置于第一表层生胚10及第二表层生胚40之间。
第一芯层生胚20及第二芯层生胚30各自是由一芯层材料经流延成形，芯层材料中包括氧化铝及氧化锆。在掺混氧化锆后，氧化铝的晶粒尺寸会缩小。并且，在受到应力变化后，氧化锆会发生相转变，相转变后的氧化锆具有较大的体积，而可达到缩小裂缝的效果。因此，氧化锆的掺混可提升第一芯层生胚20及第二芯层生胚30的韧性。
第一表层生胚10及第二表层生胚40各自是由一表层材料经流延成形，表层材料中包括氧化铝。本发明将第一表层生胚10及第二表层生胚40夹设于第一芯层生胚20及第二芯层生胚30外。也就是说，第一表层生胚10及第二表层生胚40是作为叠层结构的最外层。如此一来，当本发明的陶瓷基板1应用于电子组件时，不会因陶瓷基板1表面的成分分布不均，而导致漏电流的产生。
于一些实施例中，第一表层生胚10的厚度为0.075毫米至0.085毫米，第二表层生胚40的厚度为0.075毫米至0.085毫米，第一芯层生胚20的厚度为0.14毫米至0.16毫米，第二芯层生胚30的厚度为0.14毫米至0.16毫米。然而，本发明不以此为限。
本发明的第一表层生胚10、第一芯层生胚20、第二芯层生胚30及第二表层生胚40各自是由一流延程序所形成。因此，第一表层生胚10、第一芯层生胚20、第二芯层生胚30及第二表层生胚40各自具有一机械方向(machine direction，MD)和一横向方向(transversedirection，TD)。
在流延程序中，将芯层材料或表层材料各自配制成一浆料倒入一料斗中，浆料由料斗底部流出至一基带上。通过控制基带的移动速度以及料斗的高度，可于基带上设置适量的浆料，并以刮刀平整浆料，于干燥、脱模后便可获得前述生胚(第一表层生胚10、第一芯层生胚20、第二芯层生胚30及第二表层生胚40)。
由于操作方式(流延程序)的影响，生胚在机械方向以及横向方向上会受到不同的应力，也会具有不同的成分密度。应力的差异可能会导致叠层结构在压合及烧结步骤中的外观及特性受负面影响，具体内容将于后叙述。
请参阅图2所示，为了克服因应力差异及成分密度差异造成特性不均匀的问题，本发明以不同的方向，依序堆叠设置第一表层生胚10、第一芯层生胚20、第二芯层生胚30及第二表层生胚40，以形成叠层结构。此处所指的不同的方向是机械方向和横向方向，也就是说，相邻的生胚在制造后彼此间具有90度的角度相位差。
具体来说，第一表层生胚10机械方向上的边，设置于第一芯层生胚20横向方向上的边上。第一芯层生胚20横向方向上的边，设置于第二芯层生胚30机械方向上的边上。第二芯层生胚30机械方向上的边，设置于第二表层生胚40横向方向上的边上。以不同方向堆叠生胚的方式，可平衡原本生胚在不同方向上成分密度不同的问题。因此，本发明的陶瓷基板1可具有均匀的物理特性。
请参阅图3所示，本发明的陶瓷基板的制造方法包括下列步骤。
在步骤S1中，提供芯层材料及表层材料，芯层材料包括氧化铝及氧化锆，表层材料包括氧化铝。
于一示范实施例中，芯层材料包括7重量百分比至14重量百分比的氧化铝及86重量百分比至93重量百分比的氧化锆。表层材料包括氧化铝。当氧化锆含量提高时，陶瓷基板的抗折强度及体阻抗系数会提升，但介电常数也会提升。当氧化锆含量过低时，无法有效提升陶瓷基板的韧性。因此，本发明通过调整芯层材料中氧化铝及氧化锆的含量比例，可使陶瓷基板具有良好的物理特性，且可应用于制造电路基板。
于一示范实施例中，芯层材料中使用的氧化铝的D50平均粒径为0.2微米至1.0微米，氧化锆的D50平均粒径为0.2微米至1.0微米。较佳的，氧化铝的D50平均粒径为0.3微米至0.6微米，氧化锆的D50平均粒径为0.3微米至0.6微米。
值得说明的是，氧化铝的平均粒径，会影响烧成后陶瓷基板的结构密实度。若氧化铝的颗粒过大，烧结后有机率无法形成陶瓷基板，且容易产生氧化铝粉末。另一方面，表层材料中氧化铝的平均粒径较无限制。举例来说，氧化铝的D50平均粒径可以是0.3微米、0.4微米、0.5微米、0.6微米、0.7微米、0.8微米或0.9微米。
在步骤S2中，分别将芯层材料及表层材料配制成一分散液，并进行一球磨程序。
芯层材料的球磨程序中包括三个球磨阶段。在第一个球磨阶段中，先将氧化锆、一分散剂及一溶剂混合形成分散液，并使分散液进行湿式球磨4小时。在第二个球磨阶段中，于分散液中加入氧化铝、分散剂以及溶剂，进行湿式球磨24小时。在第三个球磨阶段中，再于分散液中加入一塑化剂、一黏结剂以及溶剂，进行湿式球磨24小时。
在球磨程序中，分散剂可以是蓖麻油、三油酸甘油酯、磷酸酯、鱼油或其组合物。溶剂可以是甲苯、异丙醇、正丁醇、二甲苯或其组合物。塑化剂可以是己二酸醚酯、磷苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇、甘油或其组合物。黏结剂可以是聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇或其组合物。
表层材料的球磨程序中包括两个球磨阶段。在第一个球磨阶段中，将氧化铝、分散剂及溶剂混合形成分散液，并使分散液进行湿式球磨24小时。在二个球磨阶段中，于分散液中加入塑化剂、黏结剂及溶剂，进行湿式球磨24小时。此处所指的分散剂、溶剂、塑化剂及黏结剂皆与上述类似，故于此不再赘述。
在步骤S3中，进行一脱泡程序，使步骤S2中的分散液形成一浆料。浆料的黏度可调整至一适当范围，以降低后续干燥程序的负担。
在脱泡程序中，分散液处于一真空或低压环境，以挥发分散液中的溶剂，待溶剂挥发后获得浆料。于一示范实施例中，浆料的黏度为4000cps至7000cps。
在步骤S4中，进行一流延程序，使用步骤S3中形成的浆料，形成前述的生胚(第一芯层生胚、第二芯层生胚、第一表层生胚及第二表层生胚)。
在步骤S5中，进行一裁切程序，将步骤S4中制成的生胚裁切至特定尺寸。
在步骤S6中，进行一压合程序，将裁切后的生胚以不同的方向依序堆叠，以形成一叠层结构，并以70℃至90℃的温度以及5000磅/平方英寸至7000磅/平方英寸的压力压合。
在上述温度及压力范围下压合，可使生胚适当地贴合，利于后续脱脂及烧结的步骤。具体来说，若压合的过度紧密(压合压力大于7000磅/平方英寸)，生胚受到的张力无法在烧结时释放，叠层结构会产生严重翘曲。若压合的不够紧密(压合压力小于5000磅/平方英寸)，在烧结时生胚容易有分层的现象，而无法获得叠层结构。
在步骤S7中，进行一脱脂程序，以2℃/分钟至10℃/分钟的升温速率于1000℃至1400℃的温度下预烧结叠层结构。
在步骤S8中，进行一烧结程序，以2℃/分钟至10℃/分钟的升温速率于1500℃至1700℃的温度下烧结叠层结构。
为了证实本发明使相邻生胚间具有90度的角度相位差的堆叠方式所产生的效果，根据上述制造方法制作了叠层结构如图1所示的陶瓷基板，作为实施例1。另为了方便比较，以类似的制造方法制作了比较例1的陶瓷基板，比较例1与实施例1的差异在于：比较例1的叠层结构是以相同的方向，依序堆叠第一表层生胚10、第一芯层生胚20、第二芯层生胚30及第二表层生胚40后经压合而形成。分别对实施例1与比较例1的叠层结构进行脱脂程序(步骤S7)及烧结程序(步骤S8)，并将不同压合压力测试下的结果列于表1中。
表1
由表1的结果可得知，本发明以不同方向依序堆叠生胚形成叠层结构，可有效克服因应力差异及成分密度差异造成特性不均匀的问题。经实验观察得知，叠层结构中央的翘曲，主要取决于生胚间是否具有角度相位差，一旦陶瓷基板的中央发生翘曲，两侧产生翘曲的机率也会提高。
由表1的结果可得知，当压合压力过小时，叠层结构无法紧密贴合，在烧结后容易分层。当压合压力过大时，生胚于压合时受到的张力无法在烧结时释放，反而会导致严重翘曲。因此，本发明调控压合压力为5000磅/平方英寸至7000磅/平方英寸，可在生胚制程张力与烧结收缩力之间取得平衡。
本发明的陶瓷基板的物理特性，符合目前业界对氧化锆增韧氧化铝基板的需求。本发明的陶瓷基板在具备韧性的同时，还具有均匀的物理特性，根据上述制造方法制作了叠层结构如图1所示的陶瓷基板，作为实施例2、3，实施例2、3的差异在于氧化锆的含量不同。实施例2的芯层材料中氧化锆的含量为11.5重量百分比，实施例2的芯层材料中氧化锆的含量为14重量百分比。
另为了方便比较，以类似的制造方法制作了比较例2的陶瓷基板，比较例2与实施例2、3的差异在于：比较例2的芯层材料中不包含氧化锆(只有氧化铝)。分别对实施例2、3及比较例2的陶瓷基板进行特性测试，测试结果如表2所示，并将目前业界对氧化锆增韧氧化铝基板(ZTA基板)的需求列于表2中，以供辅助比较。
在表2中，热膨胀系数是根据ASTM C372标准测试方法，以热膨胀仪测量而得。热传导率是根据ASTM C372标准测试方法，以热传导量测仪测量而得。体阻抗系数根据ASTMD257标准测试方法，是霍尔效应量测系统与四点探针量测仪测量而得。介电常数是根据ASTM D150标准测试方法，以霍尔效应量测系统与四点探针量测仪测量而得。介电强度是根据ASTM D149标准测试方法，以霍尔效应量测系统与四点探针量测仪测量而得。三点抗折强度是根据ASTM C1161标准测试方法，以万能试验机测量而得。
表2
由表2可得知，本发明的陶瓷基板符合目前业界对氧化锆增韧氧化铝基板的需求。陶瓷基板由20 ℃升温至300 ℃的热膨胀系数为5.5×10-6K-1至6.0×10-6K-1。陶瓷基板在20 ℃的热传导率为28.50至30.50，较佳的，陶瓷基板在20 ℃的热传导率为28.80至30.00。陶瓷基板在25 ℃的体阻抗系数为5×1014至23×1014，较佳的，陶瓷基板在25℃的体阻抗系数为6×1014至15×1014。陶瓷基板的介电常数为5.0至9.0(1MHz)。陶瓷基板的陶瓷基板的介电强度为11千伏特/毫米至14千伏特/毫米，较佳的，陶瓷基板的陶瓷基板的介电强度为12千伏特/毫米至13千伏特/毫米。陶瓷基板的三点抗折强度为500MPa至700MPa，较佳的，陶瓷基板的三点抗折强度为500MPa至600MPa。
本发明的叠层结构并不仅限于包括上述四层生胚，也可包含四层以上的生胚。值得说明的是，无论叠层结构包括几层生胚，叠层结构最外层是表层生胚(第一表层生胚10及第二表层生胚40)。
请参阅图4所示，本发明第二实施例的叠层结构可以是一六层结构。第二实施例的叠层结构与第一实施例的叠层结构相似，其差异在于：叠层结构进一步包括：一第三芯层生胚50及一第四芯层生胚60，第三芯层生胚50及第四芯层生胚60的材料各自包括氧化铝及氧化锆。第三芯层生胚50及第四芯层生胚60各自是由流延程序制成，因此，第三芯层生胚50及第四芯层生胚60各自具有机械方向和横向方向。
叠层结构包括以不同的方向依序堆叠的第一表层生胚10、第一芯层生胚20、第二芯层生胚30、第三芯层生胚50、第四芯层生胚60及第二表层生胚40。因此，叠层结构烧结后形成的陶瓷基板，具有均匀的物理特性。
请参阅图5所示，本发明第三实施例的叠层结构可以是一六层结构。第三实施例的叠层结构与第二实施例的叠层结构相似，其差异在于：叠层结构进一步包括：一第三表层生胚70及一第四表层生胚80，第三表层生胚70及第四表层生胚80的材料各自包括氧化铝。第三表层生胚70及第四表层生胚80各自是由流延程序制成，因此，第三表层生胚70及第四表层生胚80各自具有机械方向和横向方向。
叠层结构包括以不同的方向依序堆叠的第一表层生胚10、第三表层生胚70、第一芯层生胚20、第二芯层生胚30、第四表层生胚80及第二表层生胚40。因此，叠层结构烧结后形成的陶瓷基板，具有均匀的物理特性。
[实施例的有益效果]
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的陶瓷基板及其制造方法，其能通过“进行压合程序将第一表层生胚、第一芯层生胚、第二芯层生胚及第二表层生胚以不同的方向依序堆叠，以形成叠层结构”的技术方案，以克服陶瓷基板在机械方向和横向方向上特性不均匀的问题。
更进一步来说，通过“芯层材料中包括7重量百分比至14重量百分比的氧化锆及86重量百分比至93重量百分比的氧化铝”的技术方案，以提升陶瓷基板的韧性，降低陶瓷基板的热膨胀系数，并可提升陶瓷基板的热传导率与体阻抗系数。
更进一步来说，通过“芯层材料中氧化铝的平均粒径为0.3微米至0.6微米，芯层材料中氧化锆的平均粒径为0.3微米至0.6微米”的技术方案，以提升陶瓷基板的结构密实度。
更进一步来说，通过“压合程序的温度为70℃至90℃，压力为5000磅/平方英寸至7000磅/平方英寸”的技术方案，在生胚制程张力与烧结收缩力之间取得平衡，以获得外观平整的陶瓷基板。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种陶瓷基板的制造方法，其特征在于，所述陶瓷基板的制造方法包括：
提供芯层材料及表层材料，所述芯层材料包括氧化铝及氧化锆，所述表层材料包括氧化铝；
使用所述芯层材料流延成形第一芯层生胚及第二芯层生胚，使用所述表层材料流延成形第一表层生胚及第二表层生胚；其中，所述第一芯层生胚、所述第二芯层生胚、所述第一表层生胚及所述第二表层生胚各自具有机械方向和横向方向；
进行压合程序，将所述第一表层生胚、所述第一芯层生胚、所述第二芯层生胚及所述第二表层生胚以不同的方向依序堆叠，以形成叠层结构；以及
烧结所述叠层结构，以获得陶瓷基板。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基板的制造方法，其特征在于，所述芯层材料中包括7重量百分比至14重量百分比的氧化锆及86重量百分比至93重量百分比的氧化铝。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基板的制造方法，其特征在于，所述芯层材料中氧化铝的平均粒径为0.3微米至0.6微米，所述芯层材料中氧化锆的平均粒径为0.3微米至0.6微米。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基板的制造方法，其特征在于，所述压合程序的温度为70℃至90℃，压力为5000磅/平方英寸至7000磅/平方英寸。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基板的制造方法，其特征在于，在所述压合程序之后，所述叠层结构在1000℃至1400℃的温度下，以2℃/分钟至10℃/分钟的升温速率进行脱脂程序。
6.一种陶瓷基板，其特征在于，所述陶瓷基板是由叠层结构所烧结形成，所述叠层结构包括：第一表层生胚、第一芯层生胚、第二芯层生胚及第二表层生胚；其中，所述第一芯层生胚、所述第二芯层生胚、所述第一表层生胚及所述第二表层生胚各自具有机械方向和横向方向，所述第一表层生胚、所述第一芯层生胚、所述第二芯层生胚及所述第二表层生胚以不同的方向依序堆叠；其中，所述第一芯层生胚及所述第二芯层生胚的材料中各自包含氧化铝及氧化锆，所述第一表层生胚及所述第二表层生胚的材料中各自包含氧化铝。
7.根据权利要求6所述的陶瓷基板，其特征在于，所述氧化铝的平均粒径为0.3微米至0.6微米，所述氧化锆的平均粒径为0.3微米至0.6微米。
8.根据权利要求6所述的陶瓷基板，其特征在于，所述第一表层生胚的厚度为0.075毫米至0.085毫米，所述第二表层生胚的厚度为0.075毫米至0.085毫米，所述第一芯层生胚，所述第二芯层生胚的厚度为0.14毫米至0.16毫米。
9.根据权利要求6所述的陶瓷基板，其特征在于，所述陶瓷基板的介电强度大于或等于20千伏特/毫米。
10.根据权利要求6所述的陶瓷基板，其特征在于，所述陶瓷基板在1MHz时的介电常数为5.0至9.0。
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