TW314506B - - Google Patents

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G14506 A7 A7 _ B7 五、發明説明（i ) 本發明關於由陶瓷物料製造的底材。本發明也關於陶瓷 物料和製造此陶瓷物料的方法。 本身從陶瓷物料製造之底材本身爲已知的。它們通常由 已燒結陶瓷物料的薄片而組成，諸如二種成份的化合物氧 化銘（Al2〇3) ’氧化鎂（Mg〇)，氧化鈹（Be〇)，氮化鋁（A1N)或 碳化碎（Sic)。由三種成份製造的底材，諸如鎂矽氮（MgSiN2) 亦係已知的。因爲它們令人滿意的電絕緣性質，該已知底 材用在鈍化和活化電成份中，諸如電阻，電容，轉換器和 功率整流器。在這些應用上，它們當做電流一導體結構的 支撑。於申請人提出之美國專利申請案5411924中，數 個底材的優點和缺點被詳細地叙述。 陶瓷底材應用的重要領域是由矽半導體科技所形成。適 合該科技的底材必須有高的電阻R(〇hm)，滿意的強度c (MPa)和高熱傳導k(W/m.K)。除此之外，底材的膨脹係數α (1/Κ)應該大體上地等於矽。該最後提及的測量標準確定矽 結構在底材上不會破裂及/或在溫度變化下剥離。矽的膨脹 係數爲約4.8 X 1〇_6 Κ·1。 經濟部中央標準局負工消費合作社印袋 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 該等條件之結果，使用氧化鎂和氧化鋁做爲底材物料不 是最合適的，因爲它們的熱傳導太低且它們的膨脹係數太 高。該等缺點特別適用於當這些底材用在大的矽半導體結 構及1或”功率裝置"上時。鎂碎氮（MgSiN2)的膨脹係數（5.8 X 10·6 K·1)比氧化鋁和氧化鎂更接近矽。然而，特別在鎂矽 氮相當大之底材表面上提供複雜的半導體結構時，矽和鎂 矽氮的膨脹係數差異仍太大了。碳化矽的陶瓷底材非常貴 -4- 本紙張尺度適用中國國家棣準（CNS ) A4規格（2丨0'〆297公釐） 314506 A7 B7 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 五、發明説明（2 ) ’因爲這物料製程困難。除此之外，碳化♦有相當高的介 電常數。因此，這物料較不適合在電子元件上用爲底材。 氧化鈹的陶瓷本身有重要的缺點，乃是它們包含有毒的鈹 。氮化銘的底材展現不錯的高熱傳導（約150 W/m.K)及大體 上相同於矽的膨脹係數（4 8 x 10_6 ](-1)。然而，這物料製造 困難，因此相當地貴。 本發明之一目的在提供不會有上述缺點的陶瓷物料底材 。本發明較特別地著眼在提供具有高熱傳導的陶瓷底材， 膨脹係數大體上等於矽且容易製造，因此花費很低。 本發明的這些和其它目的能藉根據本發明之陶瓷物料底 材而達成，其特徵在於該物料包含44-47原子百分比的鋁 ，3 1-39原子百分比的氧，8-13原子百分比的碳和8_12原 子百分比的氮。 已發現具有根據本發明組成之陶瓷底材具有使用在矽半 導體科技上之理想性質。例如，本發明的底材物料之膨脹 係數等於梦，那就是4.8 X 1〇_6 K-1。除此之外，在3 〇 〇 κ之 理論熱傳導大約120 W/m.K。更進一步地，物料強度是 295 MPa。這些數據顯示物料大約和氮化鋁有相同不錯的 性質。然而根據本發明之底材是較簡易的，因此其製造便 宜很多。 導致本發明的實驗顯示，大體上單相之物料僅能在上述 組成範圍内得到。在該範圍外的組成通常包含相當量之其 他相，諸如氧化鋁，氮氧化鋁和/或碳氧化鋁。此種外來相 的存在造成不好的性質，諸如熱傳導的實質減少。要注意 -Γ ; - I I - - - ▲ I - - · nl· n (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 S14506 五、發明説明（3 ) 的是銘之小部份（達到1 〇原子百分比）能被硼取代而不會導 致結構及本發明底材性質的劇大改變。 本發明底材主要成份的組成較好相等於式Αΐ28〇2ΐ<：6Ν6。 發現上述關於熱傳導，膨脹係數和強度之性質最適於這物 料組成的底材。要注意的是，該組成元素分析之誤差爲約 每元素的1原子百分比。更進一步要注意的是此组成化學式 是基於本發明物質的結晶結構。整體的組成可能稍微不同 於以結晶結構爲基礎的組成。造成這個事實的原因可能是 陶瓷物料的玻璃相不同於結晶相。玻璃相位於結晶晶粒之 間。須了解本文中”主要成份"—詞是指物料的結晶相。 本發明也相關於陶瓷物料。根據本發明，這物料之特徵 在於它包含44-47原子百分比的鋁，31_3 9原子百分比的 氧，8-13原子百分比的碳及8_12原子百分比的氮。較好地 ，物料的王要成份之組成相當於Al28〇2iC6N6。根據本發明 之陶瓷物料係呈塑造或粉末之形式。 本發明也關於製造陶瓷物料的方法。首—具體實例之特 徵在於包含以下步驟的方法 a) 以所欲之陶堯物料組成爲基礎，預燒某一比例之氧化 紹、碳化鋁和氮化鋁之混合物。 b) 磨碎預燒的產品而形成粉末。 c) 燒結粉末以形成陶瓷物料。 藉由本發明的方法，能得至丨丨士赫， 此仵到大體上單相之物料，其包含 44-47原子百分比的鋁，31_39原 外原子百分比的氧，8-13原子百 分比的碳及8-12原子百分 屌于百刀比的氮。較好地，預燒發生在介 _____Γ — 1---4 裝------訂 (諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)___ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 本紙張纽適用中國國家標準（CNS > A4祕（21〇 χ1^1~) -6- 314506 A7 _ B7 五、發明説明（4 ) 於！和mere間的溫度㈣内，且較好地燒結發生在介 於⑽和⑽代間的溫度範園内。在這些條件下，外來相 物料的量少於20重量百分比。 本發明万法的第二具體實例之特徵爲以所欲之陶资物料 組成爲基礎，以某-比例在壓力下燒結氧化銘、破化銘和 氮化銘的混合物以形成該陶堯物料。這方法通常稱爲反應 性燒結。這方法免除了預燒和所形成之預燒產品的磨碎。 本發明的這些和其它觀點從具體實例説明中，將會明顯 且清楚。 圖示説明 圖1顯示根據本發明之陶瓷物料的底材。 圖2顯TF根據本發明之陶瓷物料的χ光繞射圖樣。 圖1中，參考數字（1)指陶瓷物料的平坦底材。這底材大 小爲40 X 60 X 4 mm3。這陶瓷物料主要成份的組成相等於式 Al28〇2lC6N6。此底材之製造説明如下。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 - .HI m 1^1 _1 i^n - I ^ ^ U3-a f請先閑讀背面之注意事項再填寫本頁) 所使用之初始材料爲乳化铭（CR_56，Baikowski)、碳化銘 (wi，cerac)及氮化鋁（Tokuy〇ma s〇da，F_級）之粉末 。這些初始材料用以準備一混合物，其包含5 7 2重量百分 比的氧化鋁，2 3 · 1重量百分比的碳化鋁及197重量百分比 的氮化鋁。這粉末混合物在5 MPa之壓力下被壓成小球，該 小球隨後在介於1600到165CTC溫度下預燒。加熱和冷卻速 率爲每分鐘10°C。小球預燒後，磨碎成約2 " m平均顆粒大 小的粉末。該粉末爲白色。 記錄如此製造之粉末的X光繞射圖樣，如圖2所示。在該 -7- 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（5) 圖中畫出測量爲2 Θ (。）函數之放射強度（任意單位）。這圖 樣以菲力浦PW 1800繞射儀記錄，係使用單色光cu-κ π輻射 °圖樣的所有線可指定爲菱形結構（R_3in，#166，其中 »=5·459 A，c=14.952 A)。這鑽石似的結構解釋爲什麼根據本 發明之物料有相當高的熱傳導。此可由繞射圖樣得知，外 來相物料的量少於5重量百分比。元素分析顯示所製造之陶 瓷物料的組成相當於式ai28o21c6n6。元素分析之誤差最大 爲1原子百分比。 使用有最合適的化學組成之粉末陶瓷物料以熱壓來製造 底材。在這方法中，粉末約10克，以熱壓裝置（Hp 20，供應 商爲熱科技公司）擠壓以形成平坦底材。熱壓粉末在75MPa 壓力，1800°C下燒結3小時。加熱和冷卻速率爲每分鐘丨 。熱壓操作後’底材受到數種測量。底材密度約97%。這底 材的熱傳導發現爲20 W/m.K之上。計算顯示理論熱傳導約 141 W/m.K。這可藉燒結方法最適化而達成。如此製造之底 材平均膨腺係數爲4.8 X 1〇-6 。物料強度爲295 MPa。 在更進一步之實驗中，上述混合氧化鋁、碳氧化鋁和氮 化銘的混合物’随後立刻受到增加的壓力，188〇-i90〇°C的 燒結處理，3小時。得到物料密度的範固介於2 97和3 〇1 g/cm3間。這所謂"反應性熱燒結方法"的有利觀點，是耗時 之預燒步驟及磨碎步驟可被免除。以此方式，底材或其它 塑造可快速地製造且花費很低。 再更進一步之實驗中，製造數個陶瓷粉末，其陶瓷物料 各種元素之量在上述最適組成附近有所不同。這些粉末也 -8 - 本紙張Μ適用中國國家揉牟（CNS ) A4規格（210x297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝* 訂 --1 ό 14S06 Α7 Β7 五 、發明説明（6) 在上述相同條件下，以X繞射圖樣記綠。藉由非可指定的 峰之表面積估計不同相之物料量。化學組成和單相二(純 柑）的對應量如表中所列出。

(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 根據範例具體實例1和7之陶瓷物料是不根據本發明的。 而根據範例具體實例2-6之陶瓷物料是根據本發明的。表 中清楚地顯示，如果根據本發明之陶瓷物料包含44_47原 子百分比的銘，31-3 9原子百分比的氧，8_13原子百分比 的碳和8-12原子百分比的氮，可得到單相物料。 综上所述，本發明關於從一種新型式陶瓷物料製造之底 材。這物料包含44-47原子百分比的鋁，3 1-39原子百分 比的氧，8-13原子百分比的碳和8_12原子百分比的氮。由 A7 314506 B7 五、發明説明（7) 這物料製造的底材展現了相當高的熱傳導，相當大的強度 及具膨脹係數等於矽的膨脹係數，因此，根據本發明的底 材非常適合使用在矽半導體科技。底材之陶瓷物料的主要 成份較好地相當於式ai28o21c6n6。本發明也提供製造底材 的方法及從這物料上的其它塑造。 L----„---1---1 裝------訂--：----1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 _-10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. ,6. 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 7. 314506 第84112786號專利申請案 中文申請專利笳g[修正·gY狀年7弓） 六、申請專利範圍 r 一種喊材料基板，其特徵爲該材科包含44_47原子百 二：的銘，31_39原子百分比的氧，8_13原予百分比的 碳和8-12原子百分比的氮。 2.根據申請專利範圍第η之基板，其特徵爲材料的主要 成份<組成相當於式A128021C6N6。 3_ —種陶瓷材料，其特徵爲該材料包含以^原子百分比 的銘，31·39原子百分比的氧，8_13原子百分比的碳和 8-12原子百分比的氮。 4·根據申請專利範圍第3項之陶资材料’其特徵爲材料的 主要成份的組成相當於式Al28〇2ic6N6。 5 . 一種製造根據申請專利範圍第3或4項之陶瓷材料之方 法’其特徵爲包含以下步驟之方法 .a)以所欲之陶瓷材料组成爲基礎，預燒某一比例之 七2〇3、Al4c3和A1N之混合物， b)磨碎預燒的產品而形成粉末， c )燒結粉末以形成陶瓷材料。 根據申請專利範圍第5項之方法，其特徵爲預燒發生左 介於1500和i7〇〇°C間的溫度範圍内，且燒結發生在介於 1700和19〇〇°C間的溫度範園内。 一種製造根據申請專利範圍第3或4項之陶瓷材料之方 法’其特徵爲以所欲之陶瓷材料组成爲基礎，在壓力下 燒結某一比例之Al2〇3、AUC3和A1N的混合物以形成該陶 瓷材料。 L:\EXT41VU991 .DOC 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇><297公