一种绝缘导热复合陶瓷粉末及其制备方法与应用、绝缘导热涂层与流程

文档序号：16955017发布日期：2019-02-22 22:20阅读：290来源：国知局

本发明涉及材料领域，且特别涉及一种绝缘导热复合陶瓷粉末及其制备方法与应用、绝缘导热涂层。

背景技术：

随着现今科技的不断发展，21世纪微电子技术朝着微型化，轻型化，集成度高，可靠性高，大功率输出的方向发展，器件的高复杂变化使其对热量的聚集越来越严重，这就对其基板和封装材料提出了越来越高的散热要求。传统的器件散热材料多为树脂和氧化铝基板，其30w/(m·k)左右的热导率对于当今的器件散热是远远不够的。热导率350w/(m·k)左右的陶瓷材料氧化铍虽然能够满足散热要求，但是其制备过程中总会有有毒物质产生，所以不能用与日常生活中。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种绝缘导热复合陶瓷粉末，该绝缘导热复合陶瓷粉末团聚较好、流动性较高，同时粉末颗粒较小、粒度分布较均匀、球形度高，性能稳定。

本发明的目的之二在于提供一种上述绝缘导热复合陶瓷粉末的制备方法，该制备方法简单高效，无污染，获得的粉末成品率高。

本发明的目的之三在于提供一种上述绝缘导热复合陶瓷粉末的应用，例如可将其用于制备电子绝缘材料的散热涂层，可大大提高电子绝缘材料散热效率，延长其使用寿命。

本发明的目的之四在于提供一种含有上述绝缘导热复合陶瓷粉末的绝缘导热涂层，该绝缘导热涂层具有较高的绝缘性能以及高导热性能。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

本发明提出一种绝缘导热复合陶瓷粉末，该绝缘导热复合陶瓷粉末的原料包括质量比为(4-14)：(3-10)：(1-6)：(1-12)的氧化铝、氮化铝、分散剂和粘接剂。

优选地，绝缘导热复合陶瓷粉末的粒度为5-20μm。

优选地，氧化铝为粒度为2-10μm的氧化铝陶瓷粉末和/或氮化铝为粒度为0.5-2μm的氮化铝陶瓷粉末。

优选地，分散剂包括聚丙烯酸和/或粘接剂包括聚乙烯吡咯烷酮。

本发明还提出一种上述绝缘导热复合陶瓷粉末的制备方法，包括以下步骤：混合氧化铝、氮化铝、分散剂、粘接剂及溶剂以形成浆料，然后喷雾造粒。

溶剂包括水和/或无水酒精。

本发明还提出一种上述绝缘导热复合陶瓷粉末的应用，例如可将其用于制备电子绝缘材料的散热涂层。

本发明还提出一种绝缘导热涂层，该绝缘导热涂层含有上述绝缘导热复合陶瓷粉末。

本发明较佳实施例提供的绝缘导热复合陶瓷粉末及其制备方法与应用、绝缘导热涂层的有益效果包括：

本发明实施例中以氧化铝为陶瓷主要成分，使用氮化铝部分代替氧化铝，不仅能有效提升复合陶瓷的导热性能，达到延长现有电子绝缘材料的使用寿命，同时还能避免产品成本过高的问题。原料中所用的分散剂和粘接剂能够使氧化铝粉末及氮化铝粉末的团聚及分散效果均较佳，浆料粘度适中。

以喷雾造粒工艺制备绝缘导热复合陶瓷粉末简单高效，无污染，能够提高粉末稳定复合的几率和粉末的成品率。制得的绝缘导热复合陶瓷粉末团聚较好、流动性较高，同时粉末颗粒较小、粒度分布较均匀、球形度高，性能稳定。将其作为绝缘导热涂层用于制备电子绝缘材料的散热涂层，能够使得电子绝缘材料散热效率大幅提升，延长其使用寿命，节约能源消耗。含有上述绝缘导热复合陶瓷粉末的绝缘导热涂层具有较高的绝缘性能以及高导热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为试验例中实施例1中原始氧化铝粉末的sem图；

图2为试验例中实施例1中原始氮化铝粉末的sem图；

图3为试验例中实施例1对应的喷雾造粒后的氧化铝-氮化铝陶瓷团聚粉末的sem图；

图4为试验例中实施例1对应的喷雾造粒后的氧化铝-氮化铝陶瓷团聚粉末的xrd图；

图5为试验例中实施例2对应的陶瓷团聚粉末的sem形貌图；

图6为试验例中实施例4对应的陶瓷团聚粉末的sem形貌图。

具体实施方式

下面对本发明实施例的绝缘导热复合陶瓷粉末及其制备方法与应用、绝缘导热涂层进行具体说明。

本发明实施例提供的绝缘导热复合陶瓷粉末的原料包括质量比为(4-14)：(3-10)：(1-6)：(1-12)的氧化铝、氮化铝、分散剂和粘接剂。

其中，氧化铝具有包括硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、电绝缘性高和介电损耗低等优良性能。

氮化铝的理论热导率可达320w/(m·k)，且具有良好的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、与硅相匹配的热膨胀系数，以及化学性能稳定和无毒等优良特点。但相对于民用市场，氮化铝价格仍然偏高，不利于降低产品成本。

本申请中通过以氧化铝为陶瓷主要成分，使用氮化铝部分代替氧化铝，不仅能有效提升复合陶瓷的导热性能，达到延长现有电子绝缘材料的使用寿命，同时还能避免产品成本过高的问题。

在一些实施方式中，本申请所使用的氧化铝为粒度为2-10μm的氧化铝陶瓷粉末，氮化铝为粒度为0.5-2μm的氮化铝陶瓷粉末。上述粒度范围的氧化铝陶瓷粉末与氮化铝陶瓷粉末在制备成复合陶瓷粉末的过程中更易混合均匀。

作为可选地，分散剂可以包括相对便宜且就本申请所用的氮化铝粉末与氧化铝粉末而言分散效果最好的聚丙烯酸。作为可选地，粘接剂可以包括聚乙烯吡咯烷酮。聚乙烯吡咯烷酮能较部分其他粘结剂具有更佳的粉末团聚效果同时相对更加便宜。

本申请中，将氧化铝、氮化铝、分散剂和粘接剂的质量比设置为(4-14)：(3-10)：(1-6)：(1-12)，一方面可避免分散剂的质量低于上述范围导致分散效果不佳，高于上述范围造成浆料粘度过大，不利于后续制备；另一方面可避免粘接剂的质量低于上述范围导致团聚效果不理想，高于上述范围造成浆料粘度过大可能导致堵塞喷枪无法进行喷雾干燥。承上，原料中所用的分散剂和粘接剂能够使氧化铝粉末及氮化铝粉末的团聚及分散效果均较佳，浆料粘度适中。

在一些实施方式中，本申请绝缘导热复合陶瓷粉末的粒度可以为5-20μm，例如5μm、10μm、15μm或20μm等。上述粒度范围下，可以保证粉末流动性良好，更利于绝缘导热涂层的制备，粒度过粗会影响最终绝缘导热涂层的质量。

本申请还提供了一种上述绝缘导热复合陶瓷粉末的制备方法，可参考地，其可包括以下步骤：混合氧化铝、氮化铝、分散剂、粘接剂及溶剂以形成浆料，然后喷雾造粒。

其中，溶剂包括水或无水酒精，优选为去离子水。

可选地，氧化铝与氮化铝(记为氧化铝-氮化铝，下同)的总质量与溶剂的质量之比可以为(1：2)-(2：1)，例如1：2、1：1.5、1：1、1.5：1或2：1。在该区间范围内可以制备出较高质量的粉末，低于该比例喷雾干燥所制备的粉末团聚效果差，高于该比例则成型的粉末粒度偏大。

在一些实施方式中，先混合氧化铝与溶剂，然后再依次与氮化铝、粘接剂以分散剂混合以形成浆料。

具体地，可先将氧化铝粉末先与溶剂混合，例如将氧化铝粉末倒入溶剂中混合，充分搅拌均匀，得第一浆料。然后将氮化铝粉末倒入第一浆料中，充分搅拌均匀，得第二浆料。将粘结剂倒入第二浆料中，充分搅拌均匀，得第三浆料。最后将分散剂倒入第三浆料中，充分搅拌得，第四浆料。

值得说明的是，上述将氧化铝粉末倒入水中而不是将水倒入氧化铝中能够有效避免吸水性很强的氧化铝(作为干燥剂)在当水倒入氧化铝的情况下，造成水很快被氧化铝吸收，使氧化铝成为一团浆糊而难以搅拌，影响浆料配制的问题。

将分散剂和粘接剂于不同时间段混合，能够避免分散剂和粘结剂在粉末颗粒表面产生竞争性吸附，使得浆料在短时间内粘度大幅上升。故，通过先添加粘结剂，等团聚充分后再向浆料里添加分散剂的方式可有效提高粘接剂和分散剂的使用效率，同时还能较好的控制浆料的粘度，使浆料不至于太粘稠。

本申请中，喷雾干燥前，还包括将浆料与球磨介质混合，球磨。具体地，将上述第四浆料倒入球磨罐中与球磨介质共同球磨即可。球磨时间例如可以为4-6h。

较佳地，球磨介质与氧化铝-氮化铝的质量比可以为(3：2)-(1：3)，例如3：2、2：2.5或1：3。球料比过高会导致球磨效率低，球料比过低会导致球磨不均匀不充分。

作为可选地，本申请中球磨介质优选为玛瑙球，以避免将粉末颗粒磨得太细。若选择钢球或陶瓷球则可能导致粉末颗粒磨得过细影响喷涂质量，同时也会影响纯度，使绝缘性能下降。

在一些优选的实施方式中，球磨介质可同时包括不同粒径的玛瑙球。将粉末配制成浆料并采用不同尺寸球磨球复合球磨，不仅可提高粉末分布的均匀性，而且还能有效避免分散剂和粘结剂在颗粒表面出现竞争性吸附。

作为可选地，上述球磨介质可以同时包括粒径分别为4-8mm、8-12mm以及18-22mm的玛瑙球。该三种粒径的玛瑙球的数量可以依次为8：4：1，也可根据实际使用情况进行调整。

本申请中，球磨过程中球磨转速可以为300-500rpm，例如300rpm、350rpm、400rpm、450rpm或500rpm等。球磨转速高于500rpm会导致发热严重，影响浆料的性能，低于300rpm会导致分散效果不好。

进一步地，球磨后进行喷雾干燥，能够非常短的时间内实现热量和质量的快速转移，制备效率高；同时制备设备简单、制备温度低、便于大批量生产，且可精确控制粉体材料组分。

可参考地，本申请中喷雾造粒的工艺条件例如可以包括：蠕动泵转速为20-70rpm，进口温度为240-280℃、出口温度为90-130℃、腔内压力为1.5-3bar以及雾化器调节为3-6m³/h。

其中，蠕动泵转速主要是对喷雾干燥后粉末的粒度进行控制，过大或过低都会导致粒度分布不均匀或颗粒大小差异较大。进、出口温度主要影响粉末的干燥程度，低于该范围则干燥不充分，高于该范围则球形度不佳，坑洼较多。压力和雾化器调节与温度调节作用类似，在该范围内喷雾干燥制备的粉末球形度较好，粒度分布均匀；超出该范围均不能得到干燥充分以及形貌良好的团聚粉末。

承上所述，本申请以氧化铝和氮化铝粉末为基础原料，采用球磨和喷雾造粒相结合的工艺，通过球磨将粉末在浆料中均匀分布，形成稳定的分散粉末；再通过喷雾造粒达到干燥充分以及使团聚粉末形貌良好以及粒度分布均匀的效果。经上述制备方法制备而得的绝缘导热复合陶瓷粉末团聚较好、流动性较高，同时粉末颗粒较小、粒度分布较均匀、球形度高，性能稳定。

此外，本申请还提供了一种上述绝缘导热复合陶瓷粉末的应用，例如可将其用于制备电子绝缘材料的散热涂层，以大大提高其散热效率，延长其使用寿命。

此外，本申请还提供了一种绝缘导热涂层，该绝缘导热涂层含有上述绝缘导热复合陶瓷粉末，该绝缘导热涂层具有较高的绝缘性能以及高导热性能。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

将粒度为2-10μm的不同粒径的氧化铝粉末倒入去离子水中，氧化铝与去离子水的质量比为3：5，充分搅拌均匀，得第一浆料。将粒度为0.5-2μm的不同粒径的氮化铝粉末倒入第一浆料中，氮化铝与去离子水的质量比为2：5，充分搅拌均匀，得第二浆料，浆料固含量为50％。将粘结剂聚乙烯吡咯烷酮倒入第二浆料中，聚乙烯吡咯烷酮与去离子水的比例为1：10，充分搅拌均匀，得第三浆料。将分散剂聚丙烯酸倒入第三浆料中，聚丙烯酸与去离子水的比例为1：20，充分搅拌均匀，得第四浆料。

将第四浆料与球磨介质混合，用南京南大仪器有限公司的qm-3sp4行星式球磨机以转速为400rpm球磨5h，得氧化铝-氮化铝浆料。其中，球磨介质同时包括数量比为8：4：1的粒径分别为6mm、10mm以及20mm的玛瑙球，球磨介质与氧化铝-氮化铝粉末的质量比为3：2。

于mobileminor^tm研发用喷雾干燥机中以如下工艺条件对氧化铝-氮化铝浆料进行喷雾干燥造粒。工艺条件：蠕动泵转速为35rpm，进口温度为255℃、出口温度为120℃、腔内压力为2bar、雾化器调节为5.6m³/h。