專利名稱：細(xì)化白色陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷材料及其制備方法，尤其是一種細(xì)化白色陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
微電子技術(shù)要求其器件封裝要有密集、輕薄、快速和散熱快的特點(diǎn)。陶瓷封裝能滿足這些要求，其相對于其它封裝形式的優(yōu)勢是其氣密性密封性能好，所以被用于高級(jí)密封芯片封裝，尤其對于軍用元器件的封裝來說，陶瓷封裝的高可靠性是金屬封裝和塑封無法替代的。
陶瓷材料的力學(xué)性能是指在機(jī)械力作用下材料發(fā)生形變或斷裂破壞中所表現(xiàn)的行為特性，主要包括彈性、塑性、斷裂性能、蠕變、疲勞和沖擊性能等，其中斷裂性能是對陶瓷來說最重要的性能。對于大多數(shù)無機(jī)材料尤其是使用條件復(fù)雜的功能無機(jī)材料來說，力學(xué)性能是工程應(yīng)用需要首先考慮的因素之一，基體材料力學(xué)性能的影響因素及其優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，對于產(chǎn)品的研制開發(fā)及推廣應(yīng)用具有重要意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種細(xì)化白色陶瓷材料及其制備方法，本發(fā)明的陶瓷材料得到的陶瓷晶粒尺寸均勻、表面粗糙度小，有較強(qiáng)的抗斷裂性能。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是提供一種細(xì)化白色陶瓷材料，包括下述重量份的原料氧化鋁87-93份，氧化鎂0. 8-5 份，二氧化硅1-6份，氧化鈣0. 6-4份，二氧化鈦0. 01-0. 5份，二氧化鋯0. 5-3份。
本發(fā)明的細(xì)化白色陶瓷材料是通過溶劑和原料共球磨的方法制備的。
本發(fā)明還提供了細(xì)化白色陶瓷材料的制備方法，包括下述步驟(1)清洗氧化鋁磨球和球磨罐，晾干待用；(2)稱取0.5-4重量份的溶劑NP-10，并將其加入球磨罐；(3)稱取下述重量份的原料氧化鋁87-93份、氧化鎂0.8-5份、二氧化硅1_6份、 氧化鈣0. 6-4份、二氧化鈦0. 01-0. 5份和二氧化鋯0. 5-3份，將原料加入球磨罐，球磨 72士0. 5h。
其中，步驟(1)中氧化鋁磨球和球磨罐的清洗方法為將氧化鋁磨球裝入清洗后球磨罐中，向球磨罐中加入無水乙醇至恰能沒過氧化鋁磨球，封口球磨池士0.證。
本發(fā)明通過調(diào)整配方得到新型陶瓷材料，由于原料中氧化鎂、二氧化硅、氧化鈣、 二氧化鈦和二氧化鋯的共同作用，在燒結(jié)過程中可以有效抑制晶粒的長大。晶粒越細(xì)小，材料中晶界比例越大。而事實(shí)上，晶界比晶粒內(nèi)部結(jié)合弱，如多晶Al2O3的晶粒內(nèi)部斷裂表面能為46 J/m2，而晶界的表面能Yint僅為18 J/m2。但實(shí)際上，結(jié)合能低的晶界比例越大， 材料的強(qiáng)度卻越高。這是因?yàn)閺奈⒂^來說，材料的破壞分為沿晶破壞和穿晶破壞，相同的材料成分，發(fā)生沿晶破壞時(shí)，裂紋擴(kuò)展要走的道路迂回曲折，晶粒越細(xì)，裂紋路徑愈長；加之裂紋表面上晶粒的橋接咬合作用還要消耗多余部分能量，故出現(xiàn)晶界越多，強(qiáng)度反而越高的現(xiàn)象。
溶劑NP-10為壬基酚聚氧乙烯(10)醚，混料時(shí)加入NP-10作分散劑，能防止被混合粉末發(fā)生團(tuán)聚，起到分散顆粒的作用。
目前電子封裝外殼常用白色氧化鋁陶瓷主要需要提升材料的斷裂強(qiáng)度性能，對于多晶陶瓷材料，斷裂強(qiáng)度符合Hall-Petch關(guān)系of = o 0+kd 1/2式中，ο ^為無限大單晶的強(qiáng)度；k為系數(shù)；d為晶粒直徑。
如果起始裂紋受晶粒限制，其尺度將與晶粒度相當(dāng)，晶粒越細(xì)小，初始裂紋尺寸就越小，所以脆性斷裂與晶粒度的關(guān)系可改寫為σ f =k2d斷裂強(qiáng)度性能主要取決于材料的化學(xué)成分、晶粒尺寸、氣孔率、晶體結(jié)構(gòu)類型、微裂紋、 玻璃相、表面粗糙度等因素。對于封裝陶瓷來說，化學(xué)成分受到其功能性限制較多，故晶粒尺寸、晶界相、表面粗糙度等影響因素就成為首要因素。
1.晶粒尺寸對于多晶陶瓷材料，晶粒越細(xì)小，斷裂強(qiáng)度越高，這與金屬的規(guī)律類似。
當(dāng)晶粒尺寸細(xì)小到納米量級(jí)時(shí)，材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸之間不再一定服從 Hall-Petch關(guān)系而變得復(fù)雜化，因此晶粒尺寸也并非越小越好。
通過查閱文獻(xiàn)并結(jié)合在本領(lǐng)域內(nèi)的研究經(jīng)驗(yàn)表明，晶粒的尺寸分布主要集中于 2-3 μ m，最大晶粒尺寸不超過5 μ m，無過大或過小晶粒，這種晶粒尺寸的分布情況是較為合理的。
2.晶界相陶瓷材料在燒結(jié)時(shí)大都要加入助燒劑，以形成一定量的低熔點(diǎn)相來促進(jìn)致密化，燒結(jié)完畢這些低熔點(diǎn)相便在晶界或角隅處遺留下來形成晶界相。晶界相的成分、性質(zhì)和數(shù)量(厚度)對強(qiáng)度有很大影響。晶界相由于富含雜質(zhì)或多為非晶態(tài)，一般情況下其斷裂表面能低、 強(qiáng)度低、質(zhì)脆，故它們的存在對強(qiáng)度不利。
3.表面粗糙度試樣的表面粗糙度會(huì)顯著影響陶瓷的強(qiáng)度，表面越光滑，缺陷越少、缺陷尺寸越小，強(qiáng)度越高。Griffith對玻璃棒的強(qiáng)度測試發(fā)現(xiàn)，剛剛拉制的玻璃棒的彎曲強(qiáng)度(6GPa)明顯高于在空氣中放置幾小時(shí)后的強(qiáng)度(0.4GPa)，這主要是大氣腐蝕形成表面裂紋的緣故。又如，用溫水溶去NaCl的表面缺陷后，其強(qiáng)度由5ΜΙ^增至1. 6GPa。可見，表面缺陷對強(qiáng)度影響之大。
本方法制備得到的陶瓷材料的SEM分析圖和原陶瓷SEM分析圖分別見圖1和圖2， 由圖1和圖2可以看到改進(jìn)后的陶瓷晶粒尺寸均勻，無明顯長大晶粒，且晶粒間結(jié)合緊密， 晶界分布和角度合理。
采用單邊切口梁法對本發(fā)明陶瓷進(jìn)行斷裂強(qiáng)度測試，并和原陶瓷進(jìn)行對比，對比圖見圖3，由圖3可以看到本發(fā)明的陶瓷強(qiáng)度提高了 65%左右，瓷體抗斷裂性能有顯著提升。
采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于1.由于原料中氧化鎂、二氧化硅、氧化鈣、二氧化鈦和二氧化鋯的作用，在燒結(jié)過程中可以有效抑制晶粒的長大。晶粒越細(xì)小，材料中晶界比例越大，結(jié)合能低的晶界比例越大， 材料的強(qiáng)度就越高。
2.球磨時(shí)加入溶劑NP-10，能有效的分散顆粒，防止被混合粉末發(fā)生團(tuán)聚。
3.本發(fā)明的陶瓷粉體經(jīng)燒結(jié)后得到的陶瓷表面粗糙度小，表面越光滑，缺陷越少， 缺陷尺寸越小，強(qiáng)度越高。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1是本發(fā)明的陶瓷材料的SEM分析圖； 圖2是原陶瓷材料的SEM分析圖；圖3是本發(fā)明陶瓷材料和原陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度測試對比圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1(1)將氧化鋁磨球裝入球磨罐中，向球磨罐中加入無水乙醇至恰能沒過氧化鋁磨球，封口球磨池，倒出乙醇溶液，晾干待用；(2)稱取2重量份的溶劑NP-10，并將其加入球磨罐；(3)稱取下述重量份的原料氧化鋁90份、氧化鎂0.8份、二氧化硅6份、氧化鈣1. 5 份、二氧化鈦0. 01份和二氧化鋯2份，將原料加入球磨罐球磨72h。
實(shí)施例2(1)將氧化鋁磨球裝入球磨罐中，向球磨罐中加入無水乙醇至恰能沒過氧化鋁磨球，封口球磨3.證，倒出乙醇溶液，晾干待用；(2)稱取0.5重量份的溶劑NP-10，并將其加入球磨罐；(3)稱取下述重量份的原料氧化鋁87份、氧化鎂3份、二氧化硅1份、氧化鈣4份、二氧化鈦0. 25份和二氧化鋯3份，將原料加入球磨罐，球磨72.證。
實(shí)施例3(1)將氧化鋁磨球裝入球磨罐中，向球磨罐中加入無水乙醇至恰能沒過氧化鋁磨球，封口球磨2.證，倒出乙醇溶液，晾干待用；(2)稱取4重量份的溶劑NP-10，并將其加入球磨罐；(3)稱取下述重量份的原料氧化鋁93份、氧化鎂5份、二氧化硅2.5份、氧化鈣0. 6 份、二氧化鈦0. 5份和二氧化鋯0. 5份，將原料加入球磨罐，球磨71.證。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)化白色陶瓷材料，其特征在于包括下述重量份的原料氧化鋁87-93份，氧化鎂0. 8-5份，二氧化硅1-6份，氧化鈣0. 6-4份，二氧化鈦0. 01-0. 5份，二氧化鋯0. 5-3份。
2.如權(quán)利要求1所述的一種細(xì)化白色陶瓷材料，其特征在于所述細(xì)化白色陶瓷材料是通過溶劑和原料共球磨的方法制備的。
3.一種細(xì)化白色陶瓷材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟(1)清洗氧化鋁磨球和球磨罐，晾干待用；(2)稱取0.5-4重量份的溶劑NP-10，并將其加入球磨罐；(3)稱取下述重量份的原料氧化鋁87-93份、氧化鎂0.8-5份、二氧化硅1_6份、 氧化鈣0. 6-4份、二氧化鈦0. 01-0. 5份和二氧化鋯0. 5-3份，將原料加入球磨罐，球磨 72士0. 5h。
4.如權(quán)利要求3所述的一種細(xì)化白色陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟(1)中氧化鋁磨球和球磨罐的清洗方法為將氧化鋁磨球裝入清洗后球磨罐中，向球磨罐中加入無水乙醇至恰能沒過氧化鋁磨球，封口球磨池士0.證。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種細(xì)化白色陶瓷材料，屬于元器件封裝陶瓷材料領(lǐng)域，包括下述重量份的原料氧化鋁87-93份，氧化鎂0.8-5份，二氧化硅1-6份，氧化鈣0.6-4份，二氧化鈦0.01-0.5份，二氧化鋯0.5-3份。其制備方法包括(1)清洗氧化鋁磨球和球磨罐，晾干待用；(2)稱取0.5-4重量份的溶劑NP-10，并將其加入球磨罐；(3)稱取原料，將原料加入球磨罐，球磨72±0.5h。本發(fā)明的細(xì)化白色陶瓷材料得到的陶瓷晶粒尺寸均勻，表面粗糙度小，瓷體抗斷裂性能好。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102515723SQ20111045818
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者任才華, 張炳渠, 張金利, 石鵬遠(yuǎn), 鄭宏宇, 金華江 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所