真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法，以質量份數計，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。本發明提高了氮化鋁基片的抗彎強度、致密度、導熱性能、顯微結構的均勻性，大大提高了基片的使用性能、使用穩定性、使用壽命，本方法制備的氮化鋁基片相對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率和長的使用壽命，可應用于高端精密設備。滿足大功率集成電路對封裝用基片的要求，在國防、航空航天、通訊、微電子領域內應用前景十分廣闊。
【專利說明】
真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法
技術領域
[0001]本發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法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法。技術背景
[0002]氮化鋁最早曾作為一種固氮劑作為化肥，后來氮化鋁作為一種先進的結構陶瓷， 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、金屬基復合材料增強體、主動裝甲材料等領域獲得廣泛應用。
[0003]近二三十年來，隨著微電子技術的快速發展，尤其是混合集成電路(HIC)和多芯片組件(MCM)對封裝材料提出了越來越高的要求，A1N陶瓷具有優良的絕緣性、導熱性、耐高溫性、耐腐蝕性以及與硅的熱膨脹系數相匹配等優點，成為新一代大規模集成電路、半導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、國防電力、衛星、通訊等領域內應用前景十分廣闊。
[0004]高電阻率、高熱導率、低介電常數以及與硅相匹配的熱膨脹系數是集成電路對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陶瓷熱導率低，BeO陶瓷生產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，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或氣壓燒結的燒結方式制得，其產品價格低廉， 但是熱導率低、強度低、使用壽命短，往往不能滿足大功率集成電路對封裝用基片的要求。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種真空熱壓燒結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度、致密度、導熱性能、顯微結構的均勻性等，提高基片的使用性能、使用穩定性、使用壽命，對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率和長的使用壽命，可應用于高端精密設備。
[0007]本發明所述的真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片，以質量份數計，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，粒徑優選〇.3-1.5wn，呈單峰分布的粉體。稀土氧化物優選氧化紀和氧化鑭，粉體粒徑優選〇.6-1.5ym。金屬氧化物優選氧化鋁、氧化媽和氧化鎂， 粒徑優選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，經混合均勻后裝模，再經真空熱壓燒結，得到氮化鋁基片。
[0015]原料采取在球磨機中干法混磨，采用的研磨介質為氧化鋁球，球料質量比為2-4: 1，球磨時間為4 -1 Oh。球料質量比優選為3:1。
[0016]球磨機優選滾筒式球磨機和行星式球磨機。[0〇17] 研磨介質中含有球徑分別為6-8mm、12- 16mm、20 _22mm的氧化錯球，三種不同規格的氧化鋁球質量比為1:1?3:1。三種不同規格的氧化鋁球質量比優選為1:1:1。
[0018]裝模采用的模具為碳碳纖維模具，尺寸根據基片的大小而定。
[0019]真空熱壓燒結法采用的燒結爐為中頻感應熱壓燒結爐，燒結步驟如下:
[0020]將模具放好后，開始抽真空，當真空度達到10PA時開始升溫，直到溫度升到1300 °C -1400°C后通入氮氣，繼續升溫至1800°C - 2100°C后冷卻。高純氮氣為保護氣氛。[〇〇21] 溫度從1300 °C -1400 °C升到1800 °C - 2100 °C過程中通入氮氣；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節。[〇〇22]氮氣的通入采用逐漸加入的方式，氮氣流量壓力控制在0.3-0.5Mpa。[〇〇23] 當溫度升到1800 °C _ 2100°C時，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共熔體，起到液相燒結的作用，促進基體的致密化，同時降低了燒結溫度，防止了大尺寸晶粒的出現，提高了材料的強度和穩定性。
[0025]物料混合均勻后，放入碳碳纖維模具中，在中頻感應熱壓燒結爐中開始燒結，具體燒結步驟如下:
[0026](1)裝爐后，啟動中頻感應熱壓燒結爐，進行抽真空，當真空度達到要求后，開始加熱升溫，從室溫直到1300 °C -1400 °C，升溫速率為10-15 °C /min，優選12 °C /min。[〇〇27](2)當溫度到達1300°C_1400°C后加入氮氣，采用逐漸加入的方式，隨著溫度的升高逐漸加入氮氣，氮氣流量壓力控制在0.3-0.5Mpa，當溫度升高到最高溫度點1800°C-2100 °C時，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，優選8 °C / min〇[〇〇28](3)當溫度到達最高點1800 °C -2100 °C時，進入保溫階段，油缸壓力保持10-2 IMPa，保溫保壓時間為2-6h。[〇〇29](4)保溫保壓結束后，隨爐冷卻，溫度降低到50°C以下時，取出陶瓷片即得。[〇〇3〇]本發明真空熱壓燒結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，采用真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片，材料的導熱性大大提高，可達120W/(m? 1〇以上，強度達到30010^以上，尺寸可達250臟\250臟\2〇111111，致密度可達到99.4%以上。
[0031]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0032]本發明真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片及其制備方法，采用真空熱壓燒結法進行燒結，提高了氮化鋁基片的抗彎強度、致密度、導熱性能、顯微結構的均勻性，大大提高了基片的使用性能、使用穩定性、使用壽命，本方法制備的氮化鋁基片相對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率和長的使用壽命，可應用于高端精密設備。滿足大功率集成電路對封裝用基片的要求，在國防、航空航天、通訊、微電子領域內應用前景十分廣闊。【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例對本發明做進一步的說明。[〇〇34] 實施例1
[0035]將氮化鋁粉體、氧化釔粉體、氧化鋁粉體，按照質量比90:6:4的配比稱量后放入滾筒式球磨機中，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的三種規格的氧化鋁球，按照質量比1:1:1的比例加入，其中，球料質量比為3:1，球磨時間為8h。
[0036]混合均勻后，將混合后的粉體放入碳碳纖維模具中，在中頻感應熱壓燒結爐中開始燒結。具體燒結步驟如下:
[0037]裝爐后，啟動中頻感應熱壓燒結爐，進行抽真空，當真空度達到10pa后，開始加熱升溫，從室溫直到1400 °C，升溫速率為12 °C /min。
[0038]當溫度到達1400°C后，開始加入氮氣，采用逐漸加入的方式，氮氣流量壓力控制在 0.3Mpa，此時，爐體上方油缸壓力增加到5Mpa，直至溫度升高到最高溫度點2100°C時，此階段升溫速率為10 °C/min。
[0039]當溫度到達最高點2100°C時，進入保溫階段，爐體上方油缸壓力逐漸增大到 18MPa，保溫時間為4h。
[0040]保溫結束后，隨爐冷卻，溫度降低到50°C以下，取出陶瓷片即可。[0041 ] 實施例2
[0042]將氮化鋁粉體、氧化釔粉體、氧化鑭粉體、氧化鋁粉體，按照質量比100: 0:0:0的配比稱量后放入滾筒式球磨機中，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的三種規格的氧化鋁球，按照質量比1:3:1的比例加入。球料質量比為 3:1，球磨時間為811。
[0043]混合均勻后，將混合后的粉體放入碳碳纖維模具中，在中頻感應熱壓燒結爐中開始燒結。具體燒結制度如下:
[0044]裝爐后，啟動中頻感應熱壓燒結爐，進行抽真空，當真空度達到10pa后，開始加熱升溫，從室溫直到1400 °C，升溫速率為12 °C /min。
[0045]當溫度到達1400°C后，開始加入氮氣，采用逐漸加入的方式，氮氣流量壓控制在 0.4Mpa.此時，爐體上方油缸壓力增加到5Mpa，直至溫度升高到最高溫度點1800°C此階段升溫速率為8 °C/min。[〇〇46]當溫度到達最高點1800°C時，進入保溫階段，油缸壓力逐漸增大到20MPa，保溫時間為2h。[〇〇47] 保溫結束后，隨爐冷卻，溫度降低到50°C以下時，取出陶瓷片即可。
[0048]實施例3
[0049]將氮化鋁粉體、氧化釔粉體、氧化鈰粉體、氧化鈣粉體，按照質量比80:8:6:6的配比稱量后放入滾筒式球磨機中，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的三種規格的氧化鋁球，按照質量比1:2:1的比例加入。球料質量比為 3:1，球磨時間為811。
[0050]混合均勻后，將混合后的粉體放入碳碳纖維模具中，在中頻感應熱壓燒結爐中開始燒結。具體燒結制度如下:
[0051]裝爐后，啟動中頻感應熱壓燒結爐，進行抽真空，當真空度達到10pa后，開始加熱升溫，從室溫直到1400 °C，升溫速率為10 °C /min。
[0052]當溫度到達1400°C后，開始加入氮氣，采用逐漸加入的方式，氮氣流量壓力控制在 0.5Mpa，此時油缸的壓力增加到5Mpa，直至溫度升高到最高溫度點1850°C，此階段升溫速率為 5°C/min〇[〇〇53]當溫度到達最高點1850°C時，進入保溫階段，爐體上方油缸壓力逐漸增大到 16MPa，保溫時間為6h。[〇〇54] 保溫結束后，隨爐冷卻，溫度降低到50°C以下時，取出陶瓷片即可。
[0055]實施例4
[0056]將氮化鋁粉、氧化釔粉、氧化鑭粉、氧化鈣粉，按照質量比9:10:0:0的配比稱量后放入滾筒式球磨機中，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的三種規格的氧化鋁球，按照質量比1:1:1的比例加入。球料質量比為3:1，球磨時間為8h。
[0057]混合均勻后，將混合后的粉體放入碳纖維模具中，在中頻感應熱壓燒結爐中開始燒結，具體燒結制度如下:[〇〇58]裝爐后，啟動中頻感應熱壓燒結爐，進行抽真空，當真空度達到10pa后，開始加熱升溫，從室溫直到1400 °C，升溫速率為10 °C /min。
[0059]當溫度達到1400°C后，開始加入氮氣，采用逐漸加入的方式，氮氣流量壓力控制在 0.5Mpa，此時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2000°C，此階段速率為l〇°C/min。
[0060]當溫度到達最高點2000 °C是，進入保溫階段，爐體上方油缸壓力逐漸增大到 18Mpa，保溫時間為4h。
[0061]保溫結束后，停爐冷卻，溫度降低到50°C以下時，取出陶瓷片即可。
【主權項】
1.一種真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片，其特征在于，以質量份數計，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.根據權利要求1所述的真空熱壓燒結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.根據權利要求1所述的真空熱壓燒結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。4.一種權利要求1所述的真空熱壓燒結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，經混合均勻后裝模，再經真空熱壓燒結，得到氮化鋁基片。5.根據權利要求4所述的真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，原料采取在球磨機中干法混磨，采用的研磨介質為氧化鋁球，球料質量比為2-4:1，球 磨時間為4-10h。6.根據權利要求5所述的真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，研磨介質中含有球徑分別為6-81111]1、12-16111111、20-221111]1的氧化錯球，三種不同規格的氧 化錯球質量比為1:1?3:1。7.根據權利要求4所述的真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，真空熱壓燒結法采用的燒結爐為中頻感應熱壓燒結爐，燒結步驟如下:將模具放好后，開始抽真空，當真空度達到10PA時開始升溫，直到溫度升到1300°C-1400°C后通入高純氮氣，繼續升溫至1800°C-2100°C后冷卻。8.根據權利要求7所述的真空熱壓燒結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過程中通入氮氣;將爐體壓力由OMPa升到 5MPa壓緊料坯體。9.根據權利要求7或8所述的真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特 征在于，氮氣流量壓力控制在0.3-0.5Mpa。10.根據權利要求8所述的真空熱壓燒結法制備的氮化鋁陶瓷基片的制備方法，其特征 在于，當溫度升到1800 °C-2100 °C時，爐體壓力由5MPa增加到10-21MPa，保溫2-6h，然后冷卻。
【文檔編號】C04B35/645GK105948759SQ201610405585
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】宮伯昌
【申請人】山東鵬程陶瓷新材料科技有限公司