真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法，以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，原料配比為：氮化鋁：稀土氧化物：其他金屬氧化物＝80?100：0?20：0?10。本發(fā)明提高了氮化鋁基片的抗彎強(qiáng)度、致密度、導(dǎo)熱性能、顯微結(jié)構(gòu)的均勻性，大大提高了基片的使用性能、使用穩(wěn)定性、使用壽命，本方法制備的氮化鋁基片相對(duì)于氧化鋁基片以及其他方法制備的氮化鋁基片具有明顯的高熱導(dǎo)率和長(zhǎng)的使用壽命，可應(yīng)用于高端精密設(shè)備。滿足大功率集成電路對(duì)封裝用基片的要求，在國(guó)防、航空航天、通訊、微電子領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用前景十分廣闊。
【專利說明】
真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種氮化鋁基片的制備方法，具體涉及一種真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法。技術(shù)背景
[0002]氮化鋁最早曾作為一種固氮?jiǎng)┳鳛榛?，后來氮化鋁作為一種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)陶瓷， 在金屬溶液的浴槽和電解槽襯里、熔融鹽類容器、磁光材料、聚合物添加劑、金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體、主動(dòng)裝甲材料等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
[0003]近二三十年來，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是混合集成電路(HIC)和多芯片組件(MCM)對(duì)封裝材料提出了越來越高的要求，A1N陶瓷具有優(yōu)良的絕緣性、導(dǎo)熱性、耐高溫性、耐腐蝕性以及與硅的熱膨脹系數(shù)相匹配等優(yōu)點(diǎn)，成為新一代大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體模塊電路及大功率器件的理想散熱和封裝材料。作為微電子封裝材料，氮化鋁陶瓷在汽車電子、航天航空、國(guó)防電力、衛(wèi)星、通訊等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用前景十分廣闊。
[0004]高電阻率、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)是集成電路對(duì)封裝用基片的最基本要求。目前，大功率混合集成電路的基板材料主要是A1203和BeO陶瓷，但是A1203陶瓷熱導(dǎo)率低，BeO陶瓷生產(chǎn)成本高且具有劇毒性。A1N陶瓷具有良好的綜合性能，非常適于電子工業(yè)，在陶瓷基板材料中所占比例逐漸增大。
[0005]目前，氮化鋁基片多采用無壓燒結(jié)或氣壓燒結(jié)的燒結(jié)方式制得，其產(chǎn)品價(jià)格低廉， 但是熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度低、使用壽命短，往往不能滿足大功率集成電路對(duì)封裝用基片的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法， 提高氮化鋁基片的抗彎強(qiáng)度、致密度、導(dǎo)熱性能、顯微結(jié)構(gòu)的均勻性等，提高基片的使用性能、使用穩(wěn)定性、使用壽命，對(duì)于氧化鋁基片以及其他方法制備的氮化鋁基片具有明顯的高熱導(dǎo)率和長(zhǎng)的使用壽命，可應(yīng)用于高端精密設(shè)備。
[0007]本發(fā)明所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片，以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，原料配比為:
[0008]氮化鋁:稀土氧化物:其他金屬氧化物=80 -100:0 - 20:0 -10。[0009 ]稀土氧化物為氧化鈰、氧化鑭、氧化釔、氧化鐠或氧化銣中的一種或幾種。
[0010]金屬氧化物為氧化鋁、氧化鈣或氧化鎂中的一種或幾種。[〇〇11]氮化鋁粉體采用高純粉體，粒徑優(yōu)選〇.3-1.5wn，呈單峰分布的粉體。稀土氧化物優(yōu)選氧化紀(jì)和氧化鑭，粉體粒徑優(yōu)選〇.6-1.5ym。金屬氧化物優(yōu)選氧化鋁、氧化媽和氧化鎂， 粒徑優(yōu)選0.Hym。
[0012]高純粉體為A1N純度彡99.5%，N含量彡32.7。
[0013]所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，制備步驟如下:
[0014]將氮化鋁、稀土氧化物、金屬氧化物均粉碎至0.3?1.5微米，經(jīng)混合均勻后裝模，再經(jīng)真空熱壓燒結(jié)，得到氮化鋁基片。
[0015]原料采取在球磨機(jī)中干法混磨，采用的研磨介質(zhì)為氧化鋁球，球料質(zhì)量比為2-4: 1，球磨時(shí)間為4 -1 Oh。球料質(zhì)量比優(yōu)選為3:1。
[0016]球磨機(jī)優(yōu)選滾筒式球磨機(jī)和行星式球磨機(jī)。[0〇17] 研磨介質(zhì)中含有球徑分別為6-8mm、12- 16mm、20 _22mm的氧化錯(cuò)球，三種不同規(guī)格的氧化鋁球質(zhì)量比為1:1?3:1。三種不同規(guī)格的氧化鋁球質(zhì)量比優(yōu)選為1:1:1。
[0018]裝模采用的模具為碳碳纖維模具，尺寸根據(jù)基片的大小而定。
[0019]真空熱壓燒結(jié)法采用的燒結(jié)爐為中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐，燒結(jié)步驟如下:
[0020]將模具放好后，開始抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10PA時(shí)開始升溫，直到溫度升到1300 °C -1400°C后通入氮?dú)?，繼續(xù)升溫至1800°C - 2100°C后冷卻。高純氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣氛。[〇〇21] 溫度從1300 °C -1400 °C升到1800 °C - 2100 °C過程中通入氮?dú)?；爐體壓力由OMPa升到 5MPa壓緊料坯體。爐體壓力通過爐體上方液壓油缸來調(diào)節(jié)。[〇〇22]氮?dú)獾耐ㄈ氩捎弥饾u加入的方式，氮?dú)饬髁繅毫刂圃?.3-0.5Mpa。[〇〇23] 當(dāng)溫度升到1800 °C _ 2100°C時(shí)，爐體壓力由5MPa增加到10- 2IMPa，保溫2-6h，然后冷卻。
[0024]稀土氧化物和金屬氧化物與氮化鋁粉體在高溫下形成低熔點(diǎn)共熔體，起到液相燒結(jié)的作用，促進(jìn)基體的致密化，同時(shí)降低了燒結(jié)溫度，防止了大尺寸晶粒的出現(xiàn)，提高了材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
[0025]物料混合均勻后，放入碳碳纖維模具中，在中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐中開始燒結(jié)，具體燒結(jié)步驟如下:
[0026](1)裝爐后，啟動(dòng)中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐，進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求后，開始加熱升溫，從室溫直到1300 °C -1400 °C，升溫速率為10-15 °C /min，優(yōu)選12 °C /min。[〇〇27](2)當(dāng)溫度到達(dá)1300°C_1400°C后加入氮?dú)猓捎弥饾u加入的方式，隨著溫度的升高逐漸加入氮?dú)猓獨(dú)饬髁繅毫刂圃?.3-0.5Mpa，當(dāng)溫度升高到最高溫度點(diǎn)1800°C-2100 °C時(shí)，爐體上方油缸壓力由5MPA加壓到10-21MPA，此階段升溫速率為5-10 °C /min，優(yōu)選8 °C / min〇[〇〇28](3)當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)1800 °C -2100 °C時(shí)，進(jìn)入保溫階段，油缸壓力保持10-2 IMPa，保溫保壓時(shí)間為2-6h。[〇〇29](4)保溫保壓結(jié)束后，隨爐冷卻，溫度降低到50°C以下時(shí)，取出陶瓷片即得。[〇〇3〇]本發(fā)明真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法，通過合理的配方體系，采用真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片，材料的導(dǎo)熱性大大提高，可達(dá)120W/(m? 1〇以上，強(qiáng)度達(dá)到30010^以上，尺寸可達(dá)250臟\250臟\2〇111111，致密度可達(dá)到99.4%以上。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0032]本發(fā)明真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法，采用真空熱壓燒結(jié)法進(jìn)行燒結(jié)，提高了氮化鋁基片的抗彎強(qiáng)度、致密度、導(dǎo)熱性能、顯微結(jié)構(gòu)的均勻性，大大提高了基片的使用性能、使用穩(wěn)定性、使用壽命，本方法制備的氮化鋁基片相對(duì)于氧化鋁基片以及其他方法制備的氮化鋁基片具有明顯的高熱導(dǎo)率和長(zhǎng)的使用壽命，可應(yīng)用于高端精密設(shè)備。滿足大功率集成電路對(duì)封裝用基片的要求，在國(guó)防、航空航天、通訊、微電子領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用前景十分廣闊。【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。[〇〇34] 實(shí)施例1
[0035]將氮化鋁粉體、氧化釔粉體、氧化鋁粉體，按照質(zhì)量比90:6:4的配比稱量后放入滾筒式球磨機(jī)中，加入氧化鋁球作為研磨球，氧化鋁球采取直徑分別為6-8mm、12-16mm、20-22mm的三種規(guī)格的氧化鋁球，按照質(zhì)量比1:1:1的比例加入，其中，球料質(zhì)量比為3:1，球磨時(shí)間為8h。
[0036]混合均勻后，將混合后的粉體放入碳碳纖維模具中，在中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐中開始燒結(jié)。具體燒結(jié)步驟如下:
[0037]裝爐后，啟動(dòng)中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐，進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10pa后，開始加熱升溫，從室溫直到1400 °C，升溫速率為12 °C /min。
[0038]當(dāng)溫度到達(dá)1400°C后，開始加入氮?dú)?，采用逐漸加入的方式，氮?dú)饬髁繅毫刂圃?0.3Mpa，此時(shí)，爐體上方油缸壓力增加到5Mpa，直至溫度升高到最高溫度點(diǎn)2100°C時(shí)，此階段升溫速率為10 °C/min。
[0039]當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)2100°C時(shí)，進(jìn)入保溫階段，爐體上方油缸壓力逐漸增大到 18MPa，保溫時(shí)間為4h。
[0040]保溫結(jié)束后，隨爐冷卻，溫度降低到50°C以下，取出陶瓷片即可。[0041 ] 實(shí)施例2
[0042]將氮化鋁粉體、氧化釔粉體、氧化鑭粉體、氧化鋁粉體，按照質(zhì)量比100: 0:0:0的配比稱量后放入滾筒式球磨機(jī)中，加入氧化鋁球作為研磨球，氧化鋁球采取直徑分別為6-8 皿1、12-16皿1、20-22皿1的三種規(guī)格的氧化鋁球，按照質(zhì)量比1:3:1的比例加入。球料質(zhì)量比為 3:1，球磨時(shí)間為811。
[0043]混合均勻后，將混合后的粉體放入碳碳纖維模具中，在中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐中開始燒結(jié)。具體燒結(jié)制度如下:
[0044]裝爐后，啟動(dòng)中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐，進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10pa后，開始加熱升溫，從室溫直到1400 °C，升溫速率為12 °C /min。
[0045]當(dāng)溫度到達(dá)1400°C后，開始加入氮?dú)猓捎弥饾u加入的方式，氮?dú)饬髁繅嚎刂圃?0.4Mpa.此時(shí)，爐體上方油缸壓力增加到5Mpa，直至溫度升高到最高溫度點(diǎn)1800°C此階段升溫速率為8 °C/min。[〇〇46]當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)1800°C時(shí)，進(jìn)入保溫階段，油缸壓力逐漸增大到20MPa，保溫時(shí)間為2h。[〇〇47] 保溫結(jié)束后，隨爐冷卻，溫度降低到50°C以下時(shí)，取出陶瓷片即可。
[0048]實(shí)施例3
[0049]將氮化鋁粉體、氧化釔粉體、氧化鈰粉體、氧化鈣粉體，按照質(zhì)量比80:8:6:6的配比稱量后放入滾筒式球磨機(jī)中，加入氧化鋁球作為研磨球，氧化鋁球采取直徑分別為6-8 皿1、12-16皿1、20-22皿1的三種規(guī)格的氧化鋁球，按照質(zhì)量比1:2:1的比例加入。球料質(zhì)量比為 3:1，球磨時(shí)間為811。
[0050]混合均勻后，將混合后的粉體放入碳碳纖維模具中，在中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐中開始燒結(jié)。具體燒結(jié)制度如下:
[0051]裝爐后，啟動(dòng)中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐，進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10pa后，開始加熱升溫，從室溫直到1400 °C，升溫速率為10 °C /min。
[0052]當(dāng)溫度到達(dá)1400°C后，開始加入氮?dú)?，采用逐漸加入的方式，氮?dú)饬髁繅毫刂圃?0.5Mpa，此時(shí)油缸的壓力增加到5Mpa，直至溫度升高到最高溫度點(diǎn)1850°C，此階段升溫速率為 5°C/min〇[〇〇53]當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)1850°C時(shí)，進(jìn)入保溫階段，爐體上方油缸壓力逐漸增大到 16MPa，保溫時(shí)間為6h。[〇〇54] 保溫結(jié)束后，隨爐冷卻，溫度降低到50°C以下時(shí)，取出陶瓷片即可。
[0055]實(shí)施例4
[0056]將氮化鋁粉、氧化釔粉、氧化鑭粉、氧化鈣粉，按照質(zhì)量比9:10:0:0的配比稱量后放入滾筒式球磨機(jī)中，加入氧化鋁球作為研磨球，氧化鋁球取直徑分別為6-8mm，12-16mm， 20-22mm的三種規(guī)格的氧化鋁球，按照質(zhì)量比1:1:1的比例加入。球料質(zhì)量比為3:1，球磨時(shí)間為8h。
[0057]混合均勻后，將混合后的粉體放入碳纖維模具中，在中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐中開始燒結(jié)，具體燒結(jié)制度如下:[〇〇58]裝爐后，啟動(dòng)中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐，進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10pa后，開始加熱升溫，從室溫直到1400 °C，升溫速率為10 °C /min。
[0059]當(dāng)溫度達(dá)到1400°C后，開始加入氮?dú)?，采用逐漸加入的方式，氮?dú)饬髁繅毫刂圃?0.5Mpa，此時(shí)爐體上方油缸的壓力增加到5Mpa，直至溫度升高到最高溫度點(diǎn)2000°C，此階段速率為l〇°C/min。
[0060]當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)2000 °C是，進(jìn)入保溫階段，爐體上方油缸壓力逐漸增大到 18Mpa，保溫時(shí)間為4h。
[0061]保溫結(jié)束后，停爐冷卻，溫度降低到50°C以下時(shí)，取出陶瓷片即可。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片，其特征在于，以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，原料配比 為:氮化鋁:稀土氧化物:其他金屬氧化物=80-100:0-20:0-10。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片，其特征在于，稀土氧 化物為氧化鈰、氧化鑭、氧化釔、氧化鐠或氧化銣中的一種或幾種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片，其特征在于，金屬氧 化物為氧化鋁、氧化鈣或氧化鎂中的一種或幾種。4.一種權(quán)利要求1所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，制備步驟如下:將氮化鋁、稀土氧化物、金屬氧化物均粉碎至〇.3?1.5微米，經(jīng)混合均勻后裝模，再經(jīng)真空熱壓燒結(jié)，得到氮化鋁基片。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，原料采取在球磨機(jī)中干法混磨，采用的研磨介質(zhì)為氧化鋁球，球料質(zhì)量比為2-4:1，球 磨時(shí)間為4-10h。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，研磨介質(zhì)中含有球徑分別為6-81111]1、12-16111111、20-221111]1的氧化錯(cuò)球，三種不同規(guī)格的氧 化錯(cuò)球質(zhì)量比為1:1?3:1。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，真空熱壓燒結(jié)法采用的燒結(jié)爐為中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)爐，燒結(jié)步驟如下:將模具放好后，開始抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10PA時(shí)開始升溫，直到溫度升到1300°C-1400°C后通入高純氮?dú)猓^續(xù)升溫至1800°C-2100°C后冷卻。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，溫度從1300°C-1400°C升到1800°C-2100°C過程中通入氮?dú)?將爐體壓力由OMPa升到 5MPa壓緊料坯體。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特 征在于，氮?dú)饬髁繅毫刂圃?.3-0.5Mpa。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的真空熱壓燒結(jié)法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，當(dāng)溫度升到1800 °C-2100 °C時(shí)，爐體壓力由5MPa增加到10-21MPa，保溫2-6h，然后冷卻。
【文檔編號(hào)】C04B35/645GK105948759SQ201610405585
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】宮伯昌
【申請(qǐng)人】山東鵬程陶瓷新材料科技有限公司