一种凝胶流延制备氮化铝陶瓷基片的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种凝胶流延制备氮化铝陶瓷基片的方法，属于陶瓷成型技术领域。
【背景技术】
[0002]AlN (氮化铝)陶瓷具有优良的绝缘性、导热性、耐高温性、耐腐蚀性以及与硅的热膨胀系数相匹配等优点，成为新一代大规模集成电路、半导体模块电路及大功率器件的理想散热和封装材料。
[0003]目前，制备AlN陶瓷基片的主要方法是流延成型，且大多数为有机溶剂流延成型。流延成型技术由Glenn N.Howatt首次提出并成功地将其应用于微波介质陶瓷多层电容器的制备。流延成型技术设备简单，有利于连续性操作，基本上实现自动化，生产效率较高，而其制备膜片的成本较低，较适合工业化生产；在普通的流延机上进行流延成型制备出厚度1ym?Imm的薄片。尽管经过几十年的发展，流延成型技术已经应用于工业生产，但仍存在很多问题。有机溶剂流延成型采用的是具有一定毒性的有机溶剂(苯、甲苯、二甲苯、丁酮等)，对环境的污染较为严重，且危害身体健康，成型后坯体中仍存有大量的有机物，后期的排胶过程容易引起坯体开裂及变形；干燥过程中，陶瓷粉体发生沉降，坯体上下表面形成密度梯度，且上表面易产生裂纹，光泽度差。注凝成型，也叫凝胶注模成型，是由美国橡树岭国家重点实验室发明的陶瓷材料湿法成型技术。该技术将传统的陶瓷工艺和有机聚合化学结合，将高分子单体聚合的方法灵活地引到陶瓷成型工艺中。该工艺的基本原理是在粘度低、固相含量高的料浆中加入有机单体，在催化剂和引发剂的作用下，使料浆中的有机单体交联聚合形成三维网状结构，使料浆原位固化成型，然后再进行脱模、干燥、去除有机物、烧结，即可得到所需的陶瓷零件。注凝成型技术具有成型坯体强度高、坯体整体均匀性好、可做近尺寸成型、适于制备复杂形状陶瓷部件和工业化推广、无排胶困难、成本低等优点，具有广阔的应用前景。目前注凝成型主要以水基注凝成型为主，关于有机注凝成型的报道较少。
[0004]凝胶流延成型技术结合注凝成型和流延成型的优点，以醇类(乙醇、丙醇、异丙醇等)为溶剂，然后加入少量有机单体、交联剂、分散剂和增塑剂，球磨混合得到固含量高、粘度低和流动性好的浆料，再加入引发剂和催化剂，进行流延成型，在40?80°C条件下引发单体聚合，AlN粉末均匀分布在高聚物形成的三维网络结构中。因此，此方法可制备出结构均匀，致密度高的AlN坯体和陶瓷。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是:提出一种适于氮化铝陶瓷基片工业化生产的凝胶流延成型方法，解决了传统流延成型技术存在的问题，减少环境污染，将传统的流延成型和注凝成型结合，形成了一种成膜快、干燥快、有机物含量低、坯体结构均匀和性能好的凝胶流延技术制备氮化铝陶瓷基片的方法，有利于实现氮化铝陶瓷基片的工业化生产。
[0006]本发明的技术方案:
[0007]一种凝胶流延制备氮化铝陶瓷基片的方法，其制备工艺如下(参见图2):
[0008](I)配料和球磨，将有机单体和交联剂加入有机溶剂配置成预混液，然后将预混液、分散剂和AlN陶瓷粉体混合球磨；球料比为0.5:1?3:1，有机溶剂的加入量为AlN陶瓷粉末重量的20%?100%，球磨时间为2?50h ;所述有机单体是丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、山梨醇聚缩水甘油醚或海茵环氧树脂等，所述交联剂为N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)，所述有机溶剂为醇类(如乙醇、丙醇或异丙醇等)，所述分散剂是聚甲基丙烯酸铵、PE1、磷酸酯或聚丙烯酸铵等；
[0009](2)加入增塑剂，在得到的浆料中加入增塑剂，以增加AlN薄片的柔韧性，然后进行二次球磨；球磨时间为4h?30h ；
[0010](3)真空除泡，将二次球磨得到的浆料进行真空除泡，同时加入引发剂加以搅拌，搅拌速度为30?100转/min,真空脱泡时间为5?30min ；
[0011](4)凝胶流延，将真空除泡得到的浆料进行流延操作；
[0012](5)薄片干燥，薄片在固化一定时间后具有一定强度和韧性，然后进行干燥处理；坯体干燥到一定程度后，将坯体薄片从流延薄膜上剥离，然后进行切割和打孔，得到AlN陶瓷坯片。
[0013]其中，步骤(I)中，对于厚度小于等于1.5mm的氮化铝生坯基片，有机单体和交联剂的总加入量为AlN粉体重量的1%?5%，有机单体与交联剂的质量比为10:1?30:1，分散剂的加入量为AlN陶瓷粉体重量的0.1%?1% ;对于厚度大于1.5mm的氮化铝生坯基片，有机单体和交联剂的总加入量为AlN粉体重量的3%?10%，有机单体与交联剂的质量比为5:1?20:1，分散剂的加入量为AlN陶瓷粉体重量的0.5%?2%。
[0014]步骤(2)中，所述增塑剂为甘油、聚乙二醇、邻苯二甲酸酯、聚醚多元醇、油酸或它们的混合物；对于厚度小于等于1.5mm的氮化铝生坯基片，增塑剂的加入量为AlN陶瓷粉末重量的0.2%?5% ;对于厚度大于1.5mm的氮化铝生坯基片，需适当增加增塑剂，以保证氮化铝坯体的柔韧性，增塑剂的加入量为AlN陶瓷粉末重量的1%?10%。
[0015]步骤(3 )中，所述引发剂为偶氮二异丁基脒二盐酸盐、四乙基五胺或3，3 ’ - 二氨基二丙胺等，引发剂的加入量为有机单体质量的0.25%?10%。
[0016]步骤(4)中，对于厚度小于等于1.5mm的氮化招生还基片,流延带速度为2m/min?5m/min,流延带加热区间温度为40?5(TC,固化时间为1min?40min ;对于厚度大于
1.5mm的氮化招生还基片,流延带速度为0.2m/min?4m/min,流延带加热区间温度为45?60 °C，固化时间为30min?Ih。
[0017]步骤(5)中，对于厚度小于等于1.5mm的氮化铝生坯基片，干燥温度为30?45°C，时间为30min?2h ;对于厚度大于1.5mm的氮化招生还基片,干燥温度为40?60°C,时间为2h?4h。
[0018]与现有技术相比，本发明不仅仅是流延和凝胶注模技术的简单结合，主要是所用的材料及其配比不同，具体的创新之处是:第一，此方法可制备厚度为0.3?3_的氮化铝陶瓷基片，无需分别使用流延成型(<1_)和干压成型(>1_)制备厚度不同的氮化铝陶瓷基片，使用一套设备，仅需适当改变配方，即可得到不同厚度的氮化铝陶瓷基片，降低成本；第二，由于AlN粉末极易水解，水基注凝成型技术很难在AlN陶瓷领域推广应用，本方法可在AlN陶瓷领域迅速推广；第三，本方法采用醇类(乙醇、丙醇、异丙醇等)为溶剂，成功取代传统流延成型有毒溶剂(苯、甲苯、二甲苯、丁酮等)，减少环境污染，降低生产成本，并且苯类有机溶剂容易与有机单体发生反应，导致单体无法形成三维网状结构，影响浆料固化和生坯性能，故凝胶流延不能采用苯类做有机溶剂，这与流延成型有本质区别；第四，凝胶流延中加入有机单体和交联剂，且添加量较少，无需加入流延成型的粘结剂，有效地降低浆料粘度，提高固含量，有利于得到更加致密的AlN生坯和陶瓷，这是凝胶流延与流延成型的最大不同之处；第五，有机单体和交联剂在引发剂和升温作用下，发生聚合和交联，形成三维网状结构，AlN粉体分布在网络结构中，避免了流延成型中AlN粉体的沉降问题，极大地提高AlN坯体的均匀性；第六，注凝成型制备的AlN坯体强度高，但是柔韧性差，且由于氧阻聚效应需要增加惰性气体保护装置。凝胶流延并非凝胶注模和流延成型的简单结合，增塑剂的加入，不仅能增加AlN生坯薄片的柔韧性，方便后期打孔和叠层操作，更重要的是能减少聚合过程中的氧阻聚效应，这是与传统注凝成型的本质区别。在传统的流延成型技术中，增塑剂仅仅是起到前者的作用。因此，此方法在单