一種Si?O?C陶瓷柔性基板的制備方法與流程

本發明涉及陶瓷基板，尤其是涉及一種Si-O-C陶瓷柔性基板的制備方法。

背景技術：

近年來，集成電路產業在我國飛速發展。其中，基板材料是連接與支撐電子器件的重要材料。其性能的好壞決定了集成電路的性能、質量和制造水平(曾小亮,孫蓉,于淑會,許建斌,汪正平.電子封裝基板材料研究進展及發展趨勢[J].集成技術,2014,3(6):76-83)。我國目前已在基板材料制備與技術方面取得巨大進展。然而，我國先進電子產品制造企業與國外企業存在較明顯的差距，高端基板材料大多依賴進口。

傳統基板材料主要分為陶瓷基板、金屬基板和有機基板。近年來，柔性電子技術，特別是可穿戴電子技術的興起與迅速發展，引起全世界的廣泛關注(李學通，仝洪月，趙越，杜鳳山，柔性電子器件的應用、結構、力學及展望[J].力學與實踐,2015,37(3):295-301)。柔性電子器件的主要特點是將電子元件安裝在柔性基板上，形成重量輕、厚度薄、柔軟可彎曲(變形可回復)的特殊電路，用于柔性顯示(Yu CJ,Zhang YH,Cheng DK,et al.All-elastomeric,strain-responsive thermochromic color indicators.Small,2014,10(7):1266-1271)、柔性電池(Baca AJ,Yu KJ,Xiao JL,et al.Compact monocrystalline silicon solar modules with high voltage outputs and mechanically flexible designs.Energy&Environmental Science,2010,3:208-211)、生物傳感(Kim DH,Viventiet J,Amsden JJ,et al.Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin conformal bio-integrated electronics.Nature Material,2010,9(6):511-517)等新興高科技電子行業。柔性基板目前采用的材料均為有機塑料，如聚酰亞胺、聚醚醚酮等。有機材料具有易于加工成型、強度高、化學穩定性好等突出優勢，但是存在的主要問題是導熱率低(散熱慢)、耐熱性差。導熱率的弊端可通過引入BN(Harada M,Hamaura N,Ochi M,et al.Thermal conductivity of liquid crystalline epoxy/BN filler composites having ordered network structure[J].Composites Part B-Engineering,2013,55:306-313.)、氧化鋁(Zhang S,Ke Y,Cao X,et al.Effect of Al₂O₃fibers on the thermal conductivity and mechanical properties of high density polyethylene with the absence and presence of compatibilizer[J].Journal of Applied Polymer Science,2012,124(6):4874-4881.)、碳納米管(Choi S,Im H,Kim J.Flexible and high thermal conductivity thin films based on polymer:Aminated multi-walled carbon nanotubes/micro-aluminum nitride hybrid composites[J].Composites Part A-Applied Science and Manufacturing,2012,43(11):1860-1868.)等導熱填料進行改善。因此，耐熱性能差是制約有機基板應用的主要問題之一。當電子器件的電路進行制造、焊接、修復等操作時，往往處于300℃以上的短時高溫狀態；另外，某些器件要求工作環境處于長時高溫。受到高分子材料特性的限制，目前的有機基板還不能滿足高溫工作的要求。

陶瓷和金屬材料的耐溫性能均顯著優于塑料。其中，如Al₂O₃、AlN、SiC、BN等陶瓷基板已開展了大量基礎研究和應用研究(齊維靖，大功率LED氮化鋁陶瓷散熱基板的制備[D].南昌大學,南昌,2012.)，但陶瓷的缺點是脆性大，單純的陶瓷基板不能作為柔性基板使用。金屬材料如Cu，Al等可作為電路基板材料，具有化學性能穩定、耐熱、可彎曲等突出優點，但金屬的缺點是重量大、塑性高而形變回復能力差；此外，金屬多為導體，作為基板使用時，必須在其表層鍍一層絕緣層，絕緣層與金屬基體在受熱和冷卻過程中易出現“剝離”，影響電路基板的性能穩定性；涂層的制備也增加了工藝成本。因此，研發耐高溫、既導熱又絕緣、低成本且具有柔性的電路基板是電子行業發展的新需求。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種Si-O-C陶瓷柔性基板的制備方法。

本發明包括以下步驟：

1)將連續無機纖維平紋布裁剪成電路基板需求的尺寸，并按照需求厚度進行疊層，形成樣品A；

在步驟1)中，所述連續無機纖維可為碳纖維、碳化硅纖維等導熱率大于1W(m^-1K^-1)的連續無機纖維，連續無機纖維的直徑可為10μm級，單層布的厚度可為0.1～0.3mm。

2)將步驟1)得到的樣品A平鋪于涂有脫模劑的玻璃平板上，密封后，抽真空，得樣品B；

在步驟2)中，所述密封可采用真空袋及真空膠條密封。

3)將有機硅樹脂溶于溶劑中，得有機硅樹脂溶液C；

在步驟3)中，所述溶劑可采用乙醇等；所述有機硅樹脂溶液C的粘度可為0.5～5Pa·s；所述有機硅樹脂可采用可溶性固態有機硅樹脂，所述可溶性固態有機硅樹脂可采用甲基硅樹脂等。

4)在保持樣品B一端抽真空的狀態下，用導管從對面一端導入有機硅樹脂溶液C，在真空的作用下浸潤纖維布，待全部浸潤后，將連通樹脂的一端封閉，形成樣品D；

5)繼續對樣品D抽真空，使溶劑在真空的作用下持續揮發，直至樹脂因脫除溶劑而定型，定型后停止抽真空，獲得板狀固體E；

6)將板狀固體E置于鼓風烘箱中，以1～3℃/min的速度升溫到80～150℃，保溫1～10h。有機硅樹脂于熱空氣中的氧氣反應，發生交聯，形成Si-O-Si鍵，使其變成不溶不熔的結構，得交聯產物F；

7)將交聯產物F置于管式爐中，利用N₂或Ar氣氛保護，以0.5～2℃/min的升溫速率升溫至900～1100℃，保溫1～3h，而后自然冷卻至室溫，獲得熱解產物G，即為Si-O-C陶瓷柔性基板。

本發明采用連續無機纖維為增強體，可溶性固態硅樹脂為基體，利用真空袋干法成型技術制備纖維增強樹脂基復合材料薄片，再經固化、高溫熱解，獲得耐高溫、高強度、低密度、高導熱率、柔性大的纖維增強Si-O-C陶瓷薄片，有望用做新型柔性電子器件的電路基板。

本發明具有工藝簡單、成本低廉等特點，所制備的Si-O-C陶瓷基板具有耐高溫、高強度、低密度、高導熱率、高電阻率(絕緣性能好)、柔性大等特點。至今未見利用本發明制備陶瓷柔性基板的報道。

本發明的有益效果是：

(1)利用真空袋干法成型技術和熱處理技術制備連續纖維增強Si-O-C陶瓷基板，本發明具有制備技術成熟，原料成本低的特點；

(2)利用本發明制備的Si-O-C陶瓷基板單層僅為0.1～0.3mm；可通過控制纖維織物疊層數來調節基板厚度；在連續無機纖維增強的作用下，基板具有強度高、密度低、柔度大的特點；

(3)該基板的基體材料為Si-O-C陶瓷，具有優良的抗化學腐蝕性能及耐高溫性能，可長期承受300～1000℃的高溫；

(4)Si-O-C陶瓷具有良好的絕緣性，同時具有良好的導熱性能，可滿足電路基板材料使用環境的需求。

附圖說明

圖1為本發明實施例制備的Si-O-C陶瓷基板平鋪的光學照片。

圖2為本發明實施例制備的Si-O-C陶瓷基板彎曲后的光學照片。

圖3為陶瓷基板拉斷后斷口的表面裂紋形貌掃描電子顯微鏡照片。

圖4為陶瓷基板拉斷后斷口的斷口纖維拔出形貌掃描電子顯微鏡照片。

具體實施方式

以下實施例將結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

(1)將單層碳纖維平紋布裁剪成30mm×50mm的單層薄片，厚度為0.15mm，形成樣品A；

(2)將樣品A平鋪于涂有脫模劑的玻璃平板上，采用真空袋及真空膠條將其密封，并在其任意一端抽真空。此時，樣品A在真空的壓力下被壓平，形成樣品B；

(3)將固態甲基硅樹脂(軟化點70℃)溶于按照質量比1︰1溶于乙醇溶劑，獲得粘度為3Pa·s的甲基硅樹脂的乙醇溶液C；

(4)在保持試樣B一端抽真空的狀態下，用導管從對面一端導入甲基硅樹脂的乙醇溶液C，樹脂在真空的作用下浸潤纖維布，待全部浸潤后，將連通樹脂的一端封閉，形成樣品D。

(5)繼續對樣品D抽真空，使溶劑在真空的作用下持續揮發，直至樹脂因脫除溶劑而定型。此時，停止抽真空，打開真空袋，獲得板狀固體E；

(6)將板狀固體E置于鼓風烘箱中，以2℃/min的速度升溫到80℃，保溫5h。獲得的甲基硅樹脂的交聯產物F。

(7)將甲基硅樹脂的交聯產物F置于管式爐中，利用N₂氣氛保護，以1℃/min的速率升溫至1000℃，保溫2h，而后自然冷卻至室溫，獲得熱解產物G，該產物即為纖維增強Si-O-C陶瓷柔性基板。

本發明實施例制備的Si-O-C陶瓷基板平鋪和彎曲后的光學照片參見圖1和2，由圖1和2可見，陶瓷基板表層致密光滑，用手容易對其進行彎曲，曲面變形均勻、無損傷。

陶瓷基板拉斷后斷口的表面裂紋和斷口纖維拔出形貌掃描電子顯微鏡照片參見圖3和4，由圖3和4可見，經過拉伸實驗后，表面產生了微裂紋，但由于纖維的存在，裂紋發生了并未貫穿整個基體；此外，斷口中纖維呈現明顯的“拔出”現象，正是由于微裂紋的偏轉和纖維拔出賦予了該材料較大的柔度與韌性。