专利名称：一种超材料介质基板材料及其制备方法
一种超材料介质基板材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种超材料的介质基板材料及其制备方法。背景技术：
超材料一般由多个超材料功能板层叠或按其他规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，现有超材料的介质基板为均一材质的有机或无机基板，如FR4、TPl等等。阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性,能对电场或磁场产生电磁响应,通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，可以使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。高电阻率、高热导率和低介电常数是对封装用基板的最基本要求。封装用基板还·应与硅片具有良好的热匹配性能，并且易成型、表面平整度高、易金属化、易加工、成本低、具有一定的力学性能。大多数陶瓷是离子键或共价键极强的材料，具有优异的综合性能，是电子封装中常用的基板材料，具有较高的绝缘性能和优异的高频特性，同时线膨胀系数与电子元器件非常相近，化学性能稳定、热导率高，已成为高温大功率射频封装应用广泛的一种重要的新型无毒封装材料。氮化铝陶瓷具有极好的高温稳定性，很好的导热性能以及与硅、碳化硅和砷化镓等材料相匹配的热膨胀系数，受到世界各国的青睐，其研究与开发已经取得令人瞩目的进展。氣化招是一种原子晶体，属类金刚石氣化物，最闻可稳定到220CTC。室温强度闻，且强度随温度的升高下降较慢。导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。氮化铝还是电绝缘体，介电性能良好。氮化铝粉的制备方法主要有三氧化二铝碳热还原法和化学气相沉积法，三氧化二铝碳热还原法，能够大量合成纯度较高的氮化铝粉，已经用于大规模生产，但此方法为剧烈的放热反应，反应过程难以控制，产品质量很不稳定，制备的氮化铝粉往往有自烧结现象，得到的氮化铝粉末粒径较大，粒度分布范围较宽。化学气相沉积法合成的产品纯度较高，但所用原料硅烷铝的价格昂贵，不适于大规模工业生产。聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400°C以上，长期使用温度范围-200 300°C，无明显熔点，绝缘性能高，103赫下介电常数4.0，介电损耗仅
O.004 O. 007，属F至H级绝缘材料。聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。各国都在将聚酰亚胺的研究、开发及利用列为21世纪最有希望的工程塑料之一。聚酰亚胺，因在性能和合成方面的突出特点，不论是作为结构材料还是作为功能性材料，其巨大的应用前景已经得到充分的认识，被称为是“解决问题的能手”(protion solver)，并认为“没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术”。综上所述，充分利用氮化铝与聚酰亚胺的特点，开发一种制备工艺简单、导热性能好、介电常数低、具有优越力学性能的超材料介质基板材料势在必行。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种超材料的介质基板材料及其制备方法，此方法生产工艺简单，制备的超材料介质基板材料具有介电常数低、导热性能好、力学性能优越等特点，利于大规模生产，拥有良好的开发与应用前景。本发明实现发明目的首先提供一种超材料的介质基板材料及其制备方法，包括以下步骤101.制备氮化铝粉末； 102.将上述步骤得到的氮化铝粉末与聚酰亚胺乳液在常温下混合搅拌均匀，提取氮化铝-聚酰亚胺膜，得到超材料的介质基板材料。步骤101制备氮化铝粉末包括以下步骤1011.原料的制备将硝酸铝、蔗糖、聚乙二醇、尿素、去离子水的混合溶液置于烧杯中，将烧杯放入恒温水浴锅内，边搅拌边滴加氨水溶液，得到氧化铝溶胶体；1012.前驱体的制备将步骤1011得到的氧化铝溶胶体加热，使溶胶体中的水分蒸发，真空干燥形成凝胶体，得到氮化铝前驱体；1013.前驱体的碳热还原氮化反应将步骤1012得到的氮化铝前驱体在惰性气氛的中缓慢加热，得到三氧化二铝和碳的两相混合物，将混合物在流动的氨气气氛中微波加热发生碳热还原氮化反应；1014.除碳将步骤1013得到的混合物在干燥的空气中加热、氧化除碳，得到氮化招粉末。作为具体实施方式
，在步骤1011中，所述硝酸铝与蔗糖的摩尔比为硝酸铝蔗糖=2. 5-3. 5。作为具体实施方式
，在步骤1011中，所述聚乙二醇的加入量为所述混合溶液总量的 3 %o —6 %o。作为具体实施方式
，在步骤1011中，加入所述硝酸铝和所述尿素的质量比为硝酸铝尿素=4. 26-5. 325。作为具体实施方式
，在步骤1011中，将所述恒温水浴锅的温度控制在35_95°C。作为具体实施方式
，在步骤1012中，将所述氧化铝溶胶体加热的温度控制在100-120。。。作为具体实施方式
，在步骤1013中，将所述常规电炉的温度控制在900-1100°C，时间控制在I. 5-3. 5h，惰性气体流量控制在2-6L/h。作为具体实施方式
，在步骤1013中，将所述三氧化二铝和碳的两相混合物在氨气气氛中微波加热的温度控制在900-1100°C，时间控制在10-30min，氨气流量控制在2-6L/h0作为具体实施方式
，在步骤1014中，将所述混合物加热的温度控制在500-600°C，加热时间控制在l_12h。作为具体实施方式
，在步骤102中，用旋转提拉法或静置干燥法提取氮化铝-聚酰亚胺膜。一种超材料，包括至少一个超材料功能板，所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，所述介质基板为氮化铝-聚酰亚胺薄膜材料，所述氮化铝-聚酰亚胺薄膜材料由以上的超材料的介质基板材料制备方法制得。通过应用本发明的超材料介质基板材料及其制备方法，可以有效降低基板材料的介电常数，增强基板材料的导热性能和力学性能，对于超材料的封装工艺发展具有重要意义。
图I，超材料介质基板材料的制备方法流程图。图2，氮化铝粉末制备方法流程图。
具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明利用溶胶凝胶法合成氮化铝粉，又将合成的氮化铝粉与聚酰亚胺复合，制成超材料介质基板。利用溶胶凝胶法解决了铝碳结合性差的问题，微波加热又使三氧化二铝以高活性Y-Al2O3的形式参与反应，两者有机结合，可以在温度较低，时间较短的情况下制成高纯、超细的纳米级氮化铝粉末。将氮化铝与聚酰亚胺合成的氮化铝-聚酰亚胺膜制成超材料复合介质基板，具有优异的力学性能和导热性能，同时具有较低的介电常数。实施例I本实施例的制备方法如下1011.原料的制备将42. 6g硝酸铝置于500ml的烧杯中，按硝酸铝蔗糖=3 I的摩尔比在烧杯中加入蔗糖，继续在烧杯中加入9g尿素、IOOml的去离子水形成混合溶液，按混合溶液总量5%。在烧杯中加入聚乙二醇，将烧杯放入75°C恒温水浴锅内，边搅拌边滴加5ml氨水溶液,得到氧化铝溶胶体；1012.前驱体的制备将步骤1011得到的氧化铝溶胶体加热至100°C，使溶胶体中的水分蒸发，真空干燥形成凝胶体，得到氮化铝前驱体；1013.前驱体的碳热还原氮化反应将步骤1012得到的氮化铝前驱体置于石墨坩埚中，在4L/h的惰性气氛常规电炉中缓慢加热至1000°C，保持2h，得到黑色三氧化二铝和碳的两相混合物，将混合物在2L/h流动的氨气气氛中微波加热至900°C，加热20min，发生碳热还原氮化反应；1014.除碳将步骤1013得到的碳、氮化铝黑色混合物在干燥的空气中加热至500 0C，连续加热12h，氧化除碳，得到纳米级纯氮化铝粉末。102.将经过以上步骤得到的氮化铝粉末与聚酰亚胺乳液在常温下混合搅拌均匀，利用旋转提拉法提取氮化铝-聚酰亚胺膜，得到超材料的介质基板材料。应当理解，本实施例中，碳源为蔗糖，铝源为硝酸铝，添加剂为尿素、氨水溶液和聚乙二醇，溶剂为去离子水。应当理解，本实施例中，尿素与硝酸铝的配比、铝源与碳源的配比对反应均具有较大影响。应当理解，本实施例中，在对制得的氮化铝粉末粒度及分布X射线小角散射测试结果表明，氮化招的粒度分布在5-80nm之间。
应当理解，本实施例中，利用溶胶凝胶法制备氮化铝粉末，解决了铝碳原子结合性差的问题。应当理解，本实施例中，将氮化铝前驱体在惰性气氛中缓慢加热，是为了逐渐脱去氮化铝前驱体的水分和其它小分子有机物，形成混合均匀且粒度细小的三氧化二铝和碳的两相混合物。实施例2有时候，为了使制备超材料介质基板材料的方法更加灵活，制备过程更容易控制，可以采用如下方法1011.原料的制备将42. 6g硝酸铝置于500ml的烧杯中，按硝酸铝蔗糖=3 I的摩尔比在烧杯中加入蔗糖，继续在烧杯中加入8g尿素、IOOml的去离子水形成混合溶液，按混合溶液总量3%。在烧杯中加入聚乙二醇，将烧杯放入75°C恒温水浴锅内，边搅拌边滴 加4ml氨水溶液,得到氧化铝溶胶体；1012.前驱体的制备将步骤1011得到的氧化铝溶胶体加热至100°C，使溶胶体中的水分蒸发，真空干燥形成凝胶体，得到氮化铝前驱体；1013.前驱体的碳热还原氮化反应将步骤1012得到的氮化铝前驱体置于石墨坩埚中，在2L/h的惰性气氛常规电炉中缓慢加热至1000°C，保持3h，得到黑色三氧化二铝和碳的两相混合物，将混合物在2L/h流动的氨气气氛中微波加热至900°C，加热20min，发生碳热还原氮化反应；1014.除碳将步骤1013得到的碳、氮化铝黑色混合物在干燥的空气中加热至500 0C，连续加热12h，氧化除碳，得到纳米级纯氮化铝粉末。102.将经过以上步骤得到的氮化铝粉末与聚酰亚胺乳液在常温下混合搅拌均匀，利用旋转提拉法提取氮化铝-聚酰亚胺膜，得到超材料的介质基板材料。实施例3本实施例制备超材料介质基板材料的步骤如下1011.原料的制备将42. 6g硝酸铝置于500ml的烧杯中，按硝酸铝蔗糖=3 I的摩尔比在烧杯中加入蔗糖，继续在烧杯中加入IOg尿素、IOOml的去离子水形成混合溶液，按混合溶液总量3%。在烧杯中加入聚乙二醇，将烧杯放入80°C恒温水浴锅内，边搅拌边滴加5ml氨水溶液,得到氧化铝溶胶体；1012.前驱体的制备将步骤1011得到的氧化铝溶胶体加热至120°C，使溶胶体中的水分蒸发，真空干燥形成凝胶体，得到氮化铝前驱体；1013.前驱体的碳热还原氮化反应将步骤1012得到的氮化铝前驱体置于石墨坩埚中，在4L/h的惰性气氛常规电炉中缓慢加热至1100°C，保持I. 5h，得到黑色三氧化二铝和碳的两相混合物，将混合物在4L/h流动的氨气气氛中微波加热至900°C，加热lOmin，发生碳热还原氮化反应；1014.除碳将步骤1013得到的碳、氮化铝黑色混合物在干燥的空气中加热至6000C,连续加热IOh,氧化除碳,得到纳米级纯氮化招粉末。102.将经过以上步骤得到的氮化铝粉末与聚酰亚胺乳液在常温下混合搅拌均匀，利用静置干燥法提取氮化铝-聚酰亚胺膜，得到超材料的介质基板材料。上述实施例制备超材料介质基板材料的方法简单，制备条件要求不高，易于实现。将力学性能极佳的氮化铝粉末与有机高分子材料聚酰亚胺复合加工成超材料介质基板材料，增强了介质基板材料的导热性能和力学性能，具有良好的发展前景。
本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
权利要求
1.一种超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 101.制备氣化招粉末； 102.将步骤101得到的氮化铝粉末与聚酰亚胺乳液在常温下混合搅拌均匀，提取氮化铝-聚酰亚胺膜，得到超材料的介质基板材料。
2.根据权利要求I所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤101中，制备所述氮化铝粉末包括以下步骤 1011.原料的制备将硝酸铝、蔗糖、聚乙二醇、尿素、去离子水的混合溶液置于烧杯中，将烧杯放入恒温水浴锅内，边搅拌边滴加氨水溶液，得到氧化铝溶胶体； 1012.前驱体的制备将步骤1011得到的氧化铝溶胶体加热，使溶胶体中的水分蒸发，真空干燥形成凝胶体，得到氮化铝前驱体； 1013.前驱体的碳热还原氮化反应将步骤1012得到的氮化铝前驱体在惰性气氛的中缓慢加热，得到三氧化二铝和碳的两相混合物，将混合物在流动的氨气气氛中微波加热发生碳热还原氮化反应； 1014.除碳将步骤1013得到的混合物在干燥的空气中加热、氧化除碳，得到氮化铝粉末。
3.根据权利要求2所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1011中，所述硝酸铝与蔗糖的摩尔比为硝酸铝蔗糖=2. 5-3. 5。
4.根据权利要求2所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1011中，所述聚乙二醇的加入量为所述混合溶液总量的3%0 -6%。。
5.根据权利要求2所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1011中，加入所述硝酸招和所述尿素的质量比为硝酸招尿素=4. 260-5. 325。
6.根据权利要求2所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1011中，将所述恒温水浴锅的温度控制在35-95 °C。
7.根据权利要求2所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1012中，将所述氧化铝溶胶体加热的温度控制在100-120°C。
8.根据权利要求2所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1013中，将所述氮化铝前驱体在惰性气氛中缓慢加热的温度控制在900-1100°C，时间控制在I. 5-3. 5h，惰性气体流量控制在2-6L/h。
9.根据权利要求2所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1013中，将所述三氧化二铝和碳的两相混合物在氨气气氛中微波加热的温度控制在900-1100°C，时间控制在10-30min，氨气流量控制在2_6L/h。
10.根据权利要求2所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1014中，将所述混合物加热的温度控制在500-600°C，加热时间控制在l_12h。
11.根据权利要求I所述的超材料介质基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤102中，用旋转提拉法或静置干燥法提取氮化铝-聚酰亚胺膜。
12.一种超材料，包括至少一个超材料功能板,所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，其特征在于，所述介质基板为氮化铝-聚酰亚胺薄膜材料，所述氮化铝-聚酰亚胺薄膜材料由权利要求1-11任一项所述的超材料的介质基板材料制备方法制得。
全文摘要
本发明提供了一种超材料介质基板材料及其制备方法，包括以下步骤1011.原料的制备；1012.前驱体的制备；1013.前驱体的碳热还原氮化反应；1014.除碳；102.将上述步骤得到的氮化铝粉末与聚酰亚胺乳液在常温下混合搅拌均匀，提取氮化铝-聚酰亚胺膜，得到超材料的介质基板材料。应用本发明的制备方法，将聚酰亚胺与氮化铝复合制成陶瓷与有机高分子复合基板，可以增强超材料介质基板材料的导热性能，降低基板材料的介电常数，减小基板材料的孔隙，具有良好的开发与应用前景。
文档编号C04B26/20GK102951873SQ20111025533
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者刘若鹏, 赵治亚, 缪锡根, 付珍 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司