先进陶瓷课程设计

沈阳化工大学先进陶瓷课程设计

题目：流延法制备氮化铝陶瓷基片

院系：材料科学与工程

专业：无机非金属材料工程

班级：无非1003

学生姓名：张梦

指导教师：曹大力

1 引言

陶瓷基板是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷基片表面( 单面或双面)上的特殊工艺板。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能，高导热特性，优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力。因此，陶瓷基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。

氮化铝陶瓷无毒性，具有高的热导率、高的绝缘性和良好的微波毫米波特性，是高功率、高密度和高速电路所用的高性能封装材料。目前氮化铝陶瓷封装已经用于各种器件和集成组件中，如微波大功率器件、高温高功率电子器件、高性能T/R模块等。近年来随着氮化铝陶瓷制备技术的不断成熟，具有导热率在140~230W/m.k的氮化铝已显示取代氧化铝(氧化铝导热率约为19W/m.k)陶瓷的强劲趋势。氮化铝还有一个优势在于起热膨胀系数与砷化镓匹配，能更好的与半导体材料附着。氮化铝的热性能受气孔率和杂质的影响严重，一般高导热率的致密氮化铝陶瓷仅能通过热压烧结或添加氧化钙和氧化钇的无压烧结工艺获取。添加剂在烧结时是以形成液相促进致密化，钙铝石或钇铝石能够吸收氧杂质。

目前国内外大多数氮化铝陶瓷基板是采用干压成型获得微结构完全致密和高的热导率，而流延成型是大规模制备基板材料的重要工艺方法，但目前氮化铝流延法成型工艺研究和产业化仍然较少。随着流延法的批量生产陶瓷基板技术的成熟，流延法生产氮化铝陶瓷基板一定会成为一种崭新的，大规模化生产方式。本文对流延法制备氮化铝陶瓷基板进行研究，探讨粉体特性、流延参数对陶瓷结构与性能的影响。制备的氮化铝陶瓷基板导热率定位为达到250W/m.k(最新资料显示氮化铝陶瓷基板的导热率已可达到319 W/m.k)。从而实现流延法制备氮化铝陶瓷基板的规模化，完全取代传统的氧化铝陶瓷基板。下图为干压法制备的一些基板样品图片及电镜图。

下面是实验方案。

2 实验原理及准备

实验将采用商用高纯度超细的氮化铝粉料为原料，烧结助剂选用氧化钇（作为稳定剂），经过球磨混料，并添加PVB粘接剂和合适的溶剂形成粘度适宜的流延浆料，然后再将该浆料搅拌抽气30min。通过刮刀流延法形成厚度均匀的流延带，流延厚度在0.2~0.4mm之间，流延带再经冲切、层压、排胶和烧结等工艺加工形成致密的氮化铝陶瓷片。最后对成品进行样品表征，得出相应的陶瓷结构和性能参数。

用激光粒度仪测试粉体的粒度分布筛选合适粒径的粉料，用扫描电镜观察样品形貌；差热扫描量热仪，热重分析仪做分析得出最佳排胶温度，用排水法测定材料的密度，节电性能和介质损耗采用精密LCR表测定，热导率用激光导热系数测量仪测定。实验器材还包括流延机、球磨机和烧结炉。

药品：高纯度超细的氮化铝粉料、氧化钇稳定剂、聚乙醇缩丁醛粘接剂、聚乙二醇和邻苯二甲酸二丁酯增塑剂。

3 实验方案设计

3.1粉料的选用

氮化铝粉料的性能是流延法成型的关键，氮化铝粉料太细，则容易引起流延带开裂，氮化铝粉料太粗，则形成的流延带表面粗糙度较大，且基片强度过低，不宜制备光滑的氮化铝陶瓷基片。本研究中借鉴了天津大学刘志平教授的实验数据，以下为刘得出的4种商用氮化铝粉料研究对比，粉体粒度分布和形貌特点如

图1和图2所示。

从图中可以看出，它们的粒度分布和颗粒形貌完全不同，粉料A分布窄，较粗，粉料B和C分布宽，粉料D分布窄，较细。表2是各种粉料的流延结果，表中结果可表明，氮化铝粉料越细，粒度分布越窄，流延控制越困难，流延时流延带开裂的几率越大。

通过对刘教授得出的数据分析，实验拟选用的粉料粒度控制在1.5nm到2.5nm，这个粒径得出的样品性能较好，但对流延工艺，排胶工艺与烧结工艺的控制难度较高。

3.2流延法参数的控制

氮化铝陶瓷粉料在水中极不稳定，容易水解产生氨气和拜耳石（AlOOH），从而使氮化铝粉料的性质大大改变，严重影响陶瓷的烧结性能。因此氮化铝不适用水做溶剂，本实验选用非水基的无水乙醇/丁酮为溶剂的流延成型体系，聚乙醇缩丁醛粘接剂，聚乙二醇和邻苯二甲酸二丁酯增塑剂。

3.3 排胶工艺

氮化铝的排胶可在空气炉或气氛保护下进行。对于氮化铝流延片，由于有

机添加剂较多，查阅资料：

聚乙醇缩丁醛沸点250℃

邻苯二甲酸二丁酯沸点188℃

聚乙二醇沸点>250℃

丁酮沸点 79.6℃

资料显示这些有机物必须在300℃以上才能排除，而且排胶时若温度选取过高或升温速率太快易导致开裂变形。另外由于流延片比干压片厚度薄，生坯强度低，所以排胶温度需要更低。为此将对流延片进行差热和热失重分析。初步拟采用200~500℃直接慢速升温和500℃保温的排胶方案(具体温度值有待对流延片生坯做差热分析和热重分析)，获得较好的氮化铝排胶片。

3.4 烧结工艺

由于氮化铝的易氧化性，其烧结应在高温气氛保护下进行。鉴于氮化铝中含氮成分;氮化铝的沸点可达2200℃，烧结温度应控制在1700度以上，考虑到添加剂可降低烧结温度，拟选用的方案是将氮化铝陶瓷片经过1600度（具体更为的优化温度选取待实践论证）保温4h的氮气中烧成。图6为刘志平教授实验中不同粒径粉料制成的流延带烧成后的微观形貌。从图6中可以看出，粉料D烧成的基板结构均匀，晶粒粒度一致性好，第二相也较少。

3 总结

流延法制备氮化铝陶瓷基板的性质与氮化铝粉料的质量，流延参数，排胶制度和烧结等工艺关系密切。粉料太粗，易于成型，但基片质量不高。选用细粉料必须严格控制流延参数才能成型质量较好，排胶温度和速度也需要严格控制，温度高和速度快引起流延带严重开裂，烧结过程也至关重要，它将决定基片的最终性能。通过选择合适的原来和优化工艺参数，用非水基流延工艺制备出的氮化铝基片导热率将高达250W/m.k。

实验需要攻克的难题：原料的配比及混料工序。最佳排胶温度与升温速率的确定。最佳烧结温度与升温速率的确定。