一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法与流程

本发明涉及一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法，属于材料领域。

背景技术：

氮化铝(aln)陶瓷具有优良的导热性能，优异的物理化学稳定性，且无毒、绝缘，热膨胀系数与硅(si)相近，是高密度电子封装的理想基板材料，特别是在高功率高能量密度led照明领域有着巨大的应用前景。国内外很多研究单位和公司都在开发或已开发出高导热aln基板，工业生产中的aln产品热导率(理论值320w/(m·k))一般在200w/(m·k)以下。目前，aln陶瓷的成型方法有有机流延成型、干压成型和热压成型等，干压成型与热压成型适于制备厚度1mm及以上的陶瓷基板，而对于制备1mm厚度以下的陶瓷基板用流延成型最为合适。

流延成型aln工艺采用有机溶剂基质，且多含苯和酮等有毒害的溶剂，对人体以及环境造成危害。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法，本发明以无苯、无酮、无毒的有机溶剂来流延成型氮化铝，通过添加烧结助剂，能在比较低的温度下烧结成氮化铝陶瓷基板。

本发明提供的一种氮化铝陶瓷流延浆料，它包括如下组分：固体粉末、分散剂、溶剂、增塑剂、粘结剂和脱泡剂；

所述固体粉末包括氮化铝粉体和烧结助剂。

上述的流延浆料中，所述氮化铝粉体的纯度为99％～99.9％；

所述氮化铝粉体的平均粒径可为1～2μm。

上述的流延浆料中，所述分散剂、所述增塑剂、所述粘结剂、所述脱泡剂与所述固体粉末的质量比可为1～10：1～20：5～15：0.1～3：100，具体可为3.5～5：4～12：8～11：0.7～1.5：100。

上述的流延浆料中，所述溶剂选自乙酸乙酯、异丙醇、无水乙醇和乙酸丙酯中的至少一种；

所述流延浆料中固含量可为55～60％，具体可为58％。

本发明中，所述固含量指的是固体总质量占固体和液体总质量的百分数。

上述的流延浆料中，所述分散剂选自磷酸三乙酯、聚乙二醇和油酸中的至少一种；

所述增塑剂选自聚烷撑乙二醇(简称pag)、邻苯二甲酸丁基苄酯(简称bbp)、甘油三醋酸酯和环氧油酸丁酯中至少一种；

所述粘结剂选自聚乙烯醇缩丁醛(简称pvb)、聚乙烯醇和乙基纤维素中的至少一种；

所述脱泡剂选自乙二醇和/或正丁醇。

上述的流延浆料中，所述烧结助剂选自三氧化二钇、三氧化二铝、氟化钇、氟化钙、碳酸钙、碳酸锂、二氧化硅和硼酸中的至少一种；

所述烧结助剂与氮化铝粉末的质量比可为0.1～10：100，具体可为5.14:100、5.44:100、5.75:100、4.5～6.5：100或3～8:100。

本发明中，所述氮化铝、所述三氧化二钇、所述三氧化二铝、所述氟化钇、所述二氧化硅、所述碳酸锂、所述硼酸、所述氟化钙和所述碳酸钙的英文简称分别为aln、y2o3、al2o3、yf3、sio2、li2co3、h3bo3、caf2和caco3。

本发明所述氮化铝陶瓷流延浆料应用于制备氮化铝陶瓷基板中。

本发明还提供了一种氮化铝陶瓷基板的制备方法，包括如下步骤：

1)首次球磨：将所述的流延浆料中的所述氮化铝粉体、所述烧结助剂、所述分散剂、所述溶剂混合后进行首次球磨；

2)二次球磨：将步骤1)所得的混合物与所述的流延浆料中的所述增塑剂、所述粘结剂、所述脱泡剂混合进行二次球磨，得到混合浆料；

3)真空除泡：将步骤2)得到的所述混合浆料真空脱泡进行除泡；

4)步骤3)脱泡后的所述混合浆料经流延平铺在膜带上加热，放置晾干，然后从膜带上剥离得到氮化铝流延薄片；

5)叠层压片：将步骤4)得到的所述氮化铝流延薄片裁剪，然后叠层，进行温等静压，得到氮化铝生坯；

6)排胶：将步骤5)得到的所述氮化铝生坯的容器中通入氧气或空气氛中，加热，排除所述氮化铝生坯中的所述溶剂、所述分散剂、所述粘结剂、所述塑性剂和所述脱泡剂，得到氮化铝坯体；

7)烧结：将步骤6)得到的所述氮化铝坯体烧结，即得到氮化铝陶瓷。

上述的制备方法中，所述球磨使用的研磨球与所述固体粉末的质量比为1～4：1，具体可为3:1；

所述首次球磨的时间可为15～24h，具体可为24h或18～24h；

所述二次球磨的时间可为15～24h，具体可为24h或18～24h；

所述真空脱泡的搅拌速度可为30～80r/min，压强可为-0.04～-0.1mpa，具体可为-0.08mpa，真空脱泡的时间可为10～20min；

所述混合浆料经流延机刀口高度为0.2～5mm，具体可为0.6mm，流延速度为100～500mm/min，具体可为500mm/min或200～500mm/min，流延加热温度可为30～100℃，具体可为30℃或30～80℃。

上述的制备方法中，步骤5)中，所述等温静压的温度可为100～150℃，具体可为120℃、120～150℃、100～120℃或110～140℃，压强可为8～20mpa，具体可为8mpa或8～15mpa，时间可为1～5分钟，具体可为3min或2～5分钟；

所述叠层数为4～12层，具体可为6层、6～12层、4～6层或4～10层；

步骤6)中，所述加热的温度以0.5～3℃/min升温至550～650℃，加热的时间为5～10h；具体可为以0.5℃/分钟的速率升温至500℃加热10小时；

步骤7)中，所述烧结的气氛为氮气和/或氮氢混合气，所述氮氢混合气中n/h的摩尔比可为9～19：1；所述烧结以3～10℃/min的速率升温至1650～1780℃，具体可为以5℃/min的速率升温至1730℃，所述烧结的时间可为5～20h，具体可为20h。

本发明进一步提供了上述的制备方法制备得到的氮化铝陶瓷基板。

本发明具有以下优点：

采用流延成型方法，能效地提高生产效率，降低氮化铝陶瓷生产成本；采用无毒溶剂成功取代传统流延成型有毒溶剂(苯、甲苯、二甲苯、丁酮等)，减少对环境污染和对人体的伤害；通过优化氮化铝原料粉体纯度和粒径，优化烧结助剂的种类和配比，制备出更高热导率的氮化铝陶瓷基板。本发明能有效推进aln陶瓷基板的工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例3中氮化铝流延片的实物图。

图2为本发明实施例3中氮化铝生坯的实物图。

图3为本发明实施例3中氮化铝陶瓷基板。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中，氮化铝粉体的纯度为99％～99.9％；氮化铝粉体粉末的平均粒径为1～2μm。

实施例1、aln陶瓷流延浆料的制备

按照58％的固含量，准确称量80.0025galn，3.7650gy2o3，45.4965g无水乙醇，15.2274g异丙醇，2.6823g磷酸三乙酯和0.6701g油酸，烧结助剂0.3228gcaco3，0.1795gsio2和0.0606gal2o3粉体；将称量好的粉体置于一个球磨罐中，加入3倍粉体(氮化铝粉体和烧结助剂)质量的氧化铝研磨球，用行星式球磨机进行充分搅拌混匀，球磨时间为24小时。然后，再加入8.3768gpvb，1.2582g乙二醇，4.1910gpag和4.1928gbbp，用行星式球磨机继续球磨时间24小时，得到aln陶瓷流延浆料。

实施例2、aln陶瓷流延浆料的制备

1)按照58％的固含量，准确称量80.0020galn、3.7640gy2o3、45.5025g无水乙醇，15.1749g异丙醇，2.6805g磷酸三乙酯，0.6724g油酸，烧结助剂0.3745gcaco3和0.2099gsio2粉体；将称量好的粉体置于一个球磨罐中，加入3倍粉体(固体粉末)质量的氧化铝研磨球，用行星式球磨机进行充分搅拌混匀，球磨时间为24小时。然后，再加入8.3765gpvb，1.2572g乙二醇，4.1893gpag和4.1998gbbp，用行星式球磨机继续球磨时间24小时，得到aln陶瓷流延浆料。

实施例3、aln陶瓷基板的制备

1)按照58％的固含量，准确称量80.0020galn、3.7639gy2o3、45.4935g无水乙醇，15.1636g异丙醇，2.6822g磷酸三乙酯，0.6720g油酸，0.8378gcaf2粉体；将称量好的粉体置于一个球磨罐中，加入3倍粉体(氮化铝粉体和烧结助剂)质量的氧化铝研磨球，用行星式球磨机进行充分搅拌混匀，球磨时间为24小时。

2)二次球磨：在1)中再加入8.3767gpvb，1.2766g乙二醇，4.1887gpag和4.1890gbbp，用行星式球磨机继续球磨时间24小时，得到aln陶瓷流延浆料。

3)真空除泡：将步骤2)中混合浆料真空脱泡进行除泡，采用真空除泡机的搅拌速度为50r/min，压强为-0.08mpa，真空脱泡时间为15min。

4)将步骤3)所得浆料经流延成型工艺，得到氮化铝生坯；该流延成型工艺的具体条件为：刀口高度为0.6mm，流延速率为0.5m/min；流延加热的温度为30℃。

5)将步骤4)所得陶瓷坯体叠层(6层)，进行温等静压成型(温度为120℃，压强为8mpa，保压时间为3min)，得到氮化铝生坯。

6)于氧气气氛中由室温以0.5℃/分钟的速率升温至500℃脱脂10小时，得到氮化铝坯体。

7)氮化铝坯体在氮气氛围下以5℃/min的速率升温至1730℃烧结保温20小时，得到氮化铝陶瓷基板。

--本发明氮化铝陶瓷基板的热导率220w/m·k，密度3.3418g/cm³。

本发明实施例3中氮化铝流延片的实物图如图1所示，厚度为0.15～0.18mm。

本发明实施例3中氮化铝生坯的实物图如图2所示，厚度为0.9～1.5mm。

本发明实施例3中氮化铝陶瓷基板的实物图如图3所示，其厚度为0.7～1.2mm。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。