1310371 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 、本發明係有關於一種複合陶瓷之組成及其製備方 ^特別疋有關於-種具備高導熱及高電絕緣性之氮化銘 /氧化鋁複合陶瓷及其製備方法。 【先前技術】 隨著工業及一般民生用鲜接技術的進步，焊搶 竞材料的熱傳導及絕緣特性亦隨之受到重視。目前市面上 多數的焊搶内部使用氧化銘陶_，而氧化紹陶究 =來源以日本和大陸為主，國内尚無廠商自行製作。 刀析市面上之焊搶内部使用氧化銘陶究材料， 化銘之工作溫度-般為游c左右，且需等待約Μ = 5为鐘才能使氧化鋁陶究由 陶瓷材制· Μ彡主·Λ Μ * # /皿度。而乳化鋁 陶光材枓等待加熱時間較久，歸咎 導性質較差。雖鈇葙人士 勹乳化鋁的熱傳 雖…見今市面上日本廠商製作之 料導熱性質雖稱好，作價古 搶内4材 内部材料價格便宜，但導熱性質差。若國 〜：焊槍 搶内部材料，不作炉省 订1作焊 不仁龅蝻下國外進口的運輸成本， 材料本身的特性，尤 更此掌握 在技術上大可不必受限於外國 此有必要提供—種氮化鋁/氧化鋁複合· 服習知焊搶之内部材 是，以克 1何料導熱性差及成本高的問題。 【發明内容】 5 1310371 本發明的目的之-就是揭露一種複合陶究，此複 兗實質上係由氮化銘/氧化銘所組成且具備高導熱及：： 絕緣性’可作為絕緣材料以有效改善習知焊槍之内部：： 導熱性差及成本高的問題。 料 本發明的另一目的就是揭露一種複合陶瓷之製 法，其係於氧化鋁粉末中至少添加氮化鋁作為起始粉 並利用冷職及常㈣結方式形成具備高導熱及高電絕 緣性之氮化鋁/氧化鋁複合陶兗，由於此複合陶竟之製備 方法其成本低廉又容易製備，因此可應用於電子陶 人 電陶瓷等相關產業。 ' ;| 根據本發明上述之目的，提出一種複合陶瓷，此複合 陶瓷係藉由混鍊起始粉末而製得，且此起始粉末至少包含 氧化鋁（Al2〇3)、相對於氧化鋁10至50體積百分比之1 化鋁（A1N)、以及0.5至5重量百分比之助燒結劑其中 此複合陶瓷具有至少10i2 Q_cm之電阻係數且具有小於 〇.〇1之介電損失（tan<5 )值。 、 依照本發明一較佳實施例，上述助燒結劑可例如Η & 族、Iff a族或羾b族之金屬氧化物或上述之任意組合。 根據本發明上述之目的，更提出一種複合陶兗之製備 方法。首先，提供起始粉末，其中此起始粉末至少包含氧 化銘、相對於氧化鋁1〇至50體積百分比之氮化鋁、以及 至5重里百分比之助燒結劑，接著’進行成型步驟， 係利用冷均壓（Cold Isostatic Pressure; CIP)方式使此起始 粉末形成生胚；以及進行燒結步驟，係將上述之生胚於溫 1310371 度介於1500°C至1800°C之間施以常壓燒結2小時至3小 時，藉此獲得此複合陶瓷；其中此複合陶究具有至少ι〇η Ω-cm之電阻係數且具有小於0_01之介電損失（tan^)值。 應用上述之複合陶瓷作為絕緣材料時，係於氧化銘中 至少添加氮化鋁作為起始粉末並以常壓燒結方式炉成氮 化鋁/氧化鋁複合陶瓷，由於此複合陶瓷具備高導熱及高 電絕緣性，不僅克服習知焊搶之内部材料導熱性差2成$ 高的問題，且成本低廉又容易製備，更可應用於電子陶 瓷、介電陶瓷等相關產業。 【實施方式】 本發明之複合陶究實質上係由氮化鋁以及氧化銘所 組成且具備高導熱及高電絕緣性，不僅克服習知焊搶之内 部材料導熱性差及成本高的問題，且成本低廉又容易製 備。以下詳細說明本發明之複合陶瓷及其製備方法。 本發明之複合陶瓷為氮化鋁/氧化鋁之陶究絕緣材 =，可作為焊搶用絕緣材料，其係藉由混鍊起始粉末而製 得，且此起始粉末至少包含氧化鋁（A12〇3)、相對於氧化 鋁10至5〇體積百分比之氮化鋁（A1N)、以及〇 5至5重 里百分比之助燒結劑，其中氧化鋁可例如平均粒徑為〇 2 至〇々m、純度99·9%之α_Αΐ2〇3粉末；而氮化铭 可例如平均粒經為5 " m、純度99%之氮化銘 助燒結劑可你丨1 π , ^ L 、 上、劑了例如Ha族、ma族或皿b族之金屬氧化物或 上述之任意組合，然以氧化鎂（MgO) '氧化釔（Υ2〇3)或其 1310371 組合為較佳。在本發 加量可例如3重ip *紀之較佳添 〇 百刀比，而乳化鎂之較佳添加量可例如 d董I百分比。 f發月係以顆粒強化的方式將氮化鋁的顆粒均勻分 粉東=鋁的基ί相中，以1〇至5〇體積百分比的氮化鋁 :“I添加至氧化銘粉末中，#加入助燒結劑混合後， 將上述粉末於液態進行球磨混鍊、真空乾餾、過筛以及烘 乾的步驟，而形成起始粉末。 两熱傳導率是積體電路高積集化及小型化的關鍵，其 中氧化鋁是目前應用最多也最廣泛的陶瓷構裝材料，但： 熱傳導率則有待改善。由於1化料熱傳導率是氧化銘的 5至13倍，而本發明之複合陶瓷之起始粉末中藉由在氧 化銘中添加氮化|呂’並以常壓燒結方式形成氮化銘/氧化 鋁複合陶瓷，因此能使高功率的電子元件快速達到冷卻的 效果。除了有優異的強度及絕緣性外，氮化鋁的熱膨脹係 數與矽晶接近，故有利於半導體製程之大量生產，且介電 常數及介電損失很低，可有效的降低訊號傳遞的延遲時 間，可大量應用在需要減少訊號傳遞損失的相關產業，如 電子陶瓷、介電陶瓷等相關產業。因此在陶瓷構裝及基板 材料的開發上，氮化鋁是相當具潛力的材料。 經上述之適當配比及處理後，接著進行成型步驟，係 將起始粉末先放入乾壓成型機中，利用壓力緩緩將粉末壓 成預型體後，再將此預型體置入乳膠套中，抽真空後密 封，然後對此預型體施以均勻的等向性壓力進行冷均壓 1310371 (CIP)處理一段時間，以形成具有一定強度及密度的生 胚之後，進行燒結步驟，係將經冷均壓處理過的生胚放 入二矽化鉬爐中，於溫度介於1500t至1800t之間施以 常壓燒U小時至3小時，藉此獲得緻密化且絕緣導熱性 佳的，化銘/氧化銘燒結體，其中此氮化/氧化紹燒結體 即為氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷。所得複合陶瓷之電阻係數 為至少i〇12n-cm，且其介電損失（tai^)值小於〇 〇1。 以下係揭露數個較佳實施例來進一步闌釋本發明之 實施然其並非用以限定本發明。惟’此技術領域中任何 具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可 作各種之更動與潤飾。 實施例一：製備氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷 將經冷均麼處理後五種；^體積_氮化銘/氧化鋁 複e陶瓷生胚，分別添加1〇%、2〇%、3〇%、的％、 比例的氮化鋁於氧化鋁中，放入二矽化鉬爐中施以常壓燒 2。在經過160CTC、持溫2小時的高溫燒結後，可獲得 元全緻密化且絕緣導熱性佳之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷試 體。 對照之純氧化鋁試體的製備係將經冷均壓過後的純 氧化鋁生胚放入二矽化鉬爐中施以常壓燒結。在經過 1600 C、持溫3小時的高溫燒結後，可得到完全緻密化的 純氧化鋁試體。 對照之純氮化鋁試體的製備係將經冷均壓過後的純 1310371 氮化鋁生胚埋入鋪上氮化硼粉末床的石磨坩鍋中，蓋上蓋 子，再放入石墨管形爐中施以常壓燒結。在經過i8〇(rc、 持溫兩小時的高溫燒結後，在燒結的同時 以避免氣化㈣氧化，可得到完全敏密化的纯：：二 體。 實施例二：氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷之電性分析 請參閱第1圖，其係繪示本發明一較佳實施例之電性 分析量測裝置之示意圖。利用電性分析量測裝置1〇〇進行 電性分析量測時，首先，將試體101兩側表面塗上銀膠， 其中試體101尺寸係例如，放置於i 〇〇〇c的烘箱中乾燥 後，以夾具（圖未繪示）固定於量測的模具103中。接著， 利用電/瓜供應器105，例如美國Lakeshore公司製造之電 流供應器（Current Source;型號110)，對試體ι〇1附近的 溫度感測器（Thermosensor)l〇7，例如矽二極體（Silic〇n Diode)溫度感測器，施以例如1〇 v a之定電流。然後，利 用多用電表（Multimeter ;型號HP 3478A)109測量溫度感 測器107之電壓值而換算成當時試體1 〇丨的溫度，其中升 溫速率約11： /min。之後，利用電感電容電阻電表（IXR Meter)lll，例如HP 4284八型，測量試體在不同溫度時的 電容值，其中測試頻率為2.0 KHz，測試電壓為1 Vrms， 透過例如 Keithley IEEE-488 介面卡（KPC 488.2)113 自行 撰寫程式以電腦115連續記錄升溫階段電容值變化，而後 以公式（I )換算成介電常數K : 10 1310371
A
Cp= ε 〇K d ( I ) 其中’ Cp表示所測得的電容值（F)，a表示試體面積 (m)’d表不試體厚度⑽），而£〇表示真空介電常數 (8.854xl(T12F/m)。 而對應在某一頻率時的損失如公式（Π )所示： D = tand = 1/ω CpRp (Π ) 其中’ D表示介電損失，ω表示測量時設定之角頻率 (Hz)，而Rp表示電阻值（q )。 請參閱第1表，其係顯示本發明添加不同氮化鋁含量 之氮化紹/氧化鋁複合陶瓷試體之電性分析’其中純氧化 鋁試體與純氮化鋁試體為對照組，而結果如第1表所示： 第1表 \\^性質 試體成 介電常數 K khz) 介電損失 tan5 (2·0 KHz) 電阻係數 Ω-cm (10 V) 純氧化鋁 39.922 0.0040 1.1 X 1014 氧化紹含 10%氮化鋁 48.605 0.0060 1.1 X 1012 氧化鋁含 20%氮化鋁 43.714 0.0060 1.2 X 1〇12 氧化1呂含 30%氮化鋁 44.620 0.0034 1.2 X 1〇12 氧化鋁含 40%氮化鋁 43.375 0.0059 1.1 X 1012 氧化鋁含 5 0%氮化鋁 37.576 0.0056 1.0 X 1〇12 純氮化鋁 16.17 0.061 1.2 X 1〇14 1310371 一般良好的絕緣材料在室溫（25°C )下應具備之電氣 特性為.電阻係數等於或大於（^)1012n-cm，介電強度等 於或大於（2 )5 kV/mm ,介電損失（tan占）等於或小於 G )〇.〇1，介電損失因子（Dielectric Loss Factor)等於或小 於⑷O.bm表可知，本發明之氮化銘/氧化銘複合 陶瓷之^電阻係數值與氧化鋁陶瓷相近，皆等於或大於 ⑷1012Ω,，且介電損失（tand)均小於（<)〇 〇1。因此、， 本發明之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷為高電絕緣性之 瓷材料。 實施例三：氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷之熱傳導分析 請參閱第2圖，其係繪示本發明一較佳實施例之熱傳 導分析裝置之示意圖。本發明採用之熱傳導分析裝置 2〇〇 ’可例如德國Netzsch公司所產之Micr〇_flash 3〇〇雷 射閃光裝置（Laser Flash APparatus LFA 427)。由於雷射閃 光裝置屬於非穩定熱傳導測定方法，因此在使用時不需等 待試體中熱流量達平衡的狀態，即可量測材料的妖傳導 率。另外，由於雷射閃光儀器所需’試體2〇1必須製作成 特定規格’例如直徑12.7± 〇.lmm、厚度27_至3_ 的圓片狀試體，而且在測量熱傳導值之前，於試體表面喷 碳，以避免雷射閃光穿透。 試體201以夹具203固定後’利用脈衝光源205,例 如雷射閃光，將熱能207傳送至試體2〇1的接收面2ιι， 12 1310371 2然紅外線接收11 (IR Dete叫217接收待測表面 出之熱能215，並記錄試體2〇1之接收面211之 2對時間的變化’據此計算出試體2〇1的熱擴散係數及 比熟。 ^此外，紐燒結的試體之密度測定是以阿基米德法進 里測。將燒結的試體先量測其乾重（Wd)，再放入水中煮弗 3小時以去除氣孔内殘留的空氣。接著，經24 _ 郃靜置後虿測其濕重（Ww)及水中重（Ws)，其中，w則 示試體表面以擦拭紙擦拭後的重量，@ Ws表示試體在水 中=懸浮重。_，由公細）的計算，即得到燒結體的 視费度（Apparent Density ; Da):
Da=Wd/(Ww—Ws) (H) 另外，本發明之氮化銘/氧化銘複合陶究的理論 (Dth)如公式（IV)所示： 度
Dth = Σ Wi/ Σ (Wi/ di) (IV) 其中，Wi表示複合材料中i物質所佔的重量， 表示複合材料中i物質的密度。 d1 因此，在求得試體的密度後，即可根據公式 計算出熱傳導係數： ；所7^ k=axCpXd (V) 其中’ k表示熱傳導係數，α表示熱擴散 (Cm/SeC)，CP表示比熱（J/gt)，巾q示試體的視家 (g/cm3)。另外，本發明所得之^的誤差值為± 5%，又 的誤差值為± 7 %。 而Cp 13 1310371 請參閱第2表，其顯示本發明一較佳實施例，係添加 不同氮化鋁含量之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷試體之熱傳導 分析，其中純氧化鋁試體與純氮化鋁試體為對照組，而結 果如第2表所示： 第2表 \性質 成分 熱擴散係數 a (cm2/sec) 較氧化鋁 熱擴散係 數提升值 (%) 比熱 Cp (J/g°C) 熱傳導係數 K(W/mK) 較氧化鋁 熱傳導係 數提升值 (%) 純氧化鋁 0.09174 -- 0.75309 25.05741 -- 氧化鋁含 10%氮化鋁 0.09825 7% 0.74726 27.65225 10% 氧化鋁含 20%氮化鋁 0.10795 18% 0.64213 31.82744 27% 氧化鋁含 30%氮化鋁 0.13584 48% 0.79755 36.98553 48% 氧化鋁含 40%氮化鋁 0.15996 74% 0.73360 43.98289 76% 氧化鋁含 50%氮化鋁 0.19757 115 % 0.70525 51.21739 104% 純氮化鋁 0.31648 — -- 70.85415 — 由第2表之結果可知，氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷之熱 擴散係數及熱傳導係數均介於純氧化鋁陶瓷及純氮化鋁 陶瓷之間，其中氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷之熱擴散係數值 較氧化鋁陶瓷提升7 %至11 5 %，而熱傳導係數值則較氧 化鋁陶瓷提升10 %至104 %，且熱擴散係數及熱傳導係 數均隨著氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷中氮化鋁含量提升而增 14 1310371 加。因此，本發明之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷為高導熱之 複合陶瓷材料。 此外，第2表中熱擴散係數及熱傳導係數值更進一步 分別繪示於第3圖及第4圖中。請參閱第3圖，其係顯示 本發明一較佳實施例添加不同含量氮化鋁之氮化鋁/氧化 鋁複合陶瓷的熱擴散係數比較圖’其中橫軸表示氮化鋁/ 氧化鋁複合陶瓷中氮化鋁之體積百分比（％)，縱軸表示熱 擴散係數（cm2/sec)。由第3圖之結果顯示，隨著氛化銘/ # 氧化紹複口冑£中氮化銘含量的增加，熱擴散係數亦隨之 增加。接著，請參閱第4圖，其顯示本發明一較佳實施例， 係添加不同3量氮化銘之氮化銘/氧化紹複合陶瓷的熱傳 導係數比較圖’其中橫軸表示氮化紹/氧化結複合陶究中 氮化銘之體積百分比（％)，縱轴表示熱傳導係數（W/mK)。 由第4圖之結果顯示，隨著氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷中氮 化鋁含量的增加，熱傳導係數亦隨之增加。 因此’由第3圖及第4圖中可得知，氮化銘含量由 # 10%增加i 50%日夺’熱擴散係數由7%的提升量增加至 U5%’而熱傳導係數亦由㈣的提升量增加至刚％。特 別是’工作溫度可提昇至55代，且等待時間縮短至1分 鐘，^使氮化銘/氧化銘冑合陶竞由室溫達到工作溫 度j綜g之，氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷確實達到提升熱擴 散係數及熱傳導係數之目的’而且隨著氮化鋁/氧化㈣ σ陶究中氮化#S含s的增加’熱擴散係數及熱傳導係數，亦 隨之大幅提昇。 15 1310371 實施例四：氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷之成本分析 明參閱第3表，其係顯示本發明一較佳實施例添加不 同氮化鋁含量之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷試體之成本分 析’、中純氧化銘試體與純氮化銘試體為對照組，而結果 如第3表所示： 第3表 ----— 成分 原料價格 (元/公斤） 純氧化鋁 130 氧化鋁含10%氮化鋁 407 氧化鋁含20%氮化鋁 684 氧化鋁含30%氮化鋁 961 氧化鋁含40%氮化鋁 1238 氧化鋁含50%氮化鋁 1515 純氮化鋁 3 100 由第3表之結果可知’本發明之氮化鋁/氧化銘複合 陶瓷的原料價格遠低於氮化銘陶竟，可省下—筆龐大的成 本，更提升氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷在產業之競爭力。 承上所述，本發明之氮化鋁/氧化鋁複合陶究隨氮化 铭含量之增加，其熱擴散係數值及熱傳導係數值均較氧化 鋁陶瓷提升，且電阻係數值與氧化鋁陶瓷相較，均大於 1 〇12Ω-cm，故可視為優良之絕緣材料。其次，由於材料絕 1310371 大部分皆為氧化鋁，因而節省許多原料成本。更重要的， 本發明之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷大幅提昇其工作溫度並 降低等待時間。另外，製程相當簡單，沒有複雜的製作過 程，因此使氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷本身更具備市場競爭 力。 由上述本發明較佳實施例可知，應用本發明之複合陶 瓷，其優點在於此複合陶瓷實質上係由氮化鋁/氧化鋁所 組成且具備高導熱及高電絕緣性，可作為絕緣材料以有效 改善習知焊搶之内部材料導熱性差及成本高的問題。 由上述本發明較佳實施例可知’應用本發明複合陶究 之製備方法，其優點在於氧化鋁粉末中至少添加氮化鋁作 為起始粉末，並利用冷均壓及常壓燒結方式形成具備高導 熱及高電絕緣性之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷，由於此複合 陶瓷之製備方法其成本低廉又容易製備，因此可應用於電 子陶瓷、介電陶瓷等相關產業。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，此技術領域中任何具有通常知識者，在不脫 離本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因 此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者 為準。 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示本發明一較佳實施例之電性分析量測 裝置之示意圖； 17 1310371 第2圖係繪示本發明一較佳實施例之熱傳導分析 置之示意圖； 、 第3圖係顯示本發明一較佳實施例添加不同含量氮 化鋁之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷的熱擴散係數比較圖，其 中杈軸表示氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷中氮化鋁之體積百分 比（/°)，縱轴表示熱擴散係數（cm2/sec);以及 第4圖係顯示本發明一較佳實施例添加不同含量氮 化鋁之氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷的熱傳導係數比較圖，其 中橫軸表示氮化鋁/氧化鋁複合陶瓷中氮化鋁之體積百分 比（％) ’縱軸表示熱傳導係數（w/mK)。 【主要元件符號說明】 100 ： 電性分析量 103 ： 模具 107 ： 溫度感測器 111 ： 電感電容電 115 ： 電腦 201 ： 試體 205 ： 脈衝光源 211 ： 接收面 215 ： 熱能 測裝置 101 :試體 1〇5 :電流供應器 109 :多用電表 阻電表113 :介面卡
200 :熱傳導分析裝置 203 :夾具 2〇7 :熱能 21 3 :待測表面 217 :紅外線接收器 18