電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料及製法的製作方法與工藝

2023-05-26 10:01:31

本發明涉及陶瓷複合材料技術領域。

背景技術：
以半導體技術為核心技術的信息技術給人類的日常生活帶來了極大的變化，未來電子技術的發展，無論是在以微電子技術領域還是電力電子技術領域，電子元器件的功率密度都是朝著更大的方向發展，這就對電子元器件封裝材料的散熱效率和可靠性帶來更高的要求。為了滿足電子系統小型化、低成本、高可靠和性能提高的市場需要，電子封裝陶瓷基板材料逐漸向高可靠性、高散熱效率、價格適宜方向發展。目前普遍使用的陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、Si3N4、莫來石、AlN以及玻璃陶瓷。傳統的氧化鋁多層陶瓷基板因其工藝成熟，價格低，在一段時間內仍將佔有主要地位，但因其熱導率不足等問題使應用將受到一定的限制。其中AlN陶瓷熱導率高（與金屬鋁相近）、無毒、原料來源廣泛、介電常數與機械性能與氧化鋁接近而且絕緣性能更好、既可以流延成型又可以常壓燒結，工藝性好。所以AlN是一種很有希望的高導熱基板，已被視為新一代高密度、大功率電子封裝中最理想的陶瓷基板材料，能夠廣泛應用於電力電子功率模塊、微波毫米波功率器件、大功率電源模塊、混合集成電路等領域，特別是利用其高導熱的特點製備的陶瓷基板在動力機車、電動汽車、智能電網等電力電子領域應用廣泛。但是，為了增加氮化鋁陶瓷的熱導率，往往採取提高燒結溫度或增加保溫時間的方法，這就導致氮化鋁陶瓷晶粒異常長大，影響陶瓷材料的力學性能，其彎曲強度僅能達到300MPa。這限制了該材料在高可靠電力電子模塊中的應用，基板在模塊承受功率循環的過程中很容易發生開裂。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料及製法，是將氮化鋁晶須加入到氮化鋁陶瓷中，利用陶瓷晶須斷裂強度高、彈性模量大的特點，提高氮化鋁陶瓷材料的力學性能，使其作為電子封裝基板使用時具有更高的可靠性，且製法簡單，易於實現工業化生產。為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是：一種電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料，複合陶瓷粉料中包括如下固體原料：氮化鋁65wt.%～90wt.%，氮化鋁晶須5wt.%～32wt.%和燒結助劑3wt.%～5wt.%；複合陶瓷粉料經球磨混合製成陶瓷漿料、造粒、成型、排膠、燒結製成氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。優選的，燒結助劑選用溶膠凝膠法製備的納米釔鋁石榴石和氟化鈣的混合粉體，其中，納米釔鋁石榴石和氟化鈣的質量比為1:1～10：1。優選的，氮化鋁為高純微米級顆粒，氮化鋁含量99.9％，粒徑為1.5～3.0微米；所述氮化鋁晶須為長柱狀單晶，長徑比40～100，直徑0.8～3.5微米。上述電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料的製法，包括下列步驟：（1）將固體原料氮化鋁晶須、氮化鋁和燒結助劑中加入乙醇、分散劑以及粘結劑，球磨混合36h-48h製成混合均勻的陶瓷漿料；（2）將混合均勻漿料採用噴霧造粒方法乾燥、制粉；採用幹壓成型工藝預置成型，而後等靜壓成型，製得成型坯體；（3）所得成型坯體在550℃～600℃條件下保溫2～4h排除內部有機物；所述有機物包括乙醇、分散劑以及粘結劑；（4）在流動氮氣氣氛下1700～1850℃、保溫2～4小時的條件下燒結，得到陶瓷，經雙面磨拋後即製得電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。優選的，步驟(1)採用的分散劑為：PVP和聚丙烯醯胺混合物，其中PVP為氮化鋁晶須的分散劑，添加量為氮化鋁晶須質量的0.5%～2.0%；聚丙烯醯胺為氮化鋁的分散劑，添加量為固體原料總重量的0.5%～1.0%。進一步優選的，步驟(1)採用的混料方法為：先將PVP與一部分乙醇混合後再分散氮化鋁晶須，固含量為30wt.%～50wt.%，並調節pH至7～10，混合均勻；再與氮化鋁、燒結助劑、聚丙烯醯胺、粘結劑和剩餘的乙醇混合，球磨混合36h-48h製成混合均勻的陶瓷漿料；步驟(1)需加乙醇總量控制在使陶瓷漿料固含量為40wt.%～70wt.%。這樣混料方式有效減少了氮化鋁晶須的團聚，促進氮化鋁晶須在基體中均勻分散，保證複合材料內部缺陷少，提高其力學性能。優選的，步驟(1)採用的粘結劑為：聚碳酸丙烯酯，粘結劑添加量為固體原料總重量的0.5%～0.8%。優選的，步驟(2)等靜壓成型壓力為100～150MPa。聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone）簡稱PVP。晶須是一種具有一定長徑比的纖維材料，它是以單晶形式生長成的，其原子高度有序、直徑小，強度和彈性模量接近於完整晶體的理論值，因而具有優良的耐高熱、耐高溫、耐腐蝕性能，同時也有良好的電絕緣性、輕質量、高強度、高硬度、高彈性模量等一系列特性。氮化鋁晶須不僅具有氮化鋁材料的固有特性，而且具有晶須材料的長徑比高、結構完整、缺陷少，其強度和模量高等特點。因此，氮化鋁晶須不僅可以作為增強補韌劑用於製備新型結構複合材料，還可以利用其高導熱性製備新型功能複合材料。因此，本發明將氮化鋁晶須加入到氮化鋁陶瓷材料中製備複合材料，利用晶須的高強度和彈性模量增強陶瓷材料，製備高強度高可靠的氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷基板材料。納米釔鋁石榴石能夠提高氮化鋁的燒結活性促進緻密化，氟化鈣促進多餘的第二相排除。採用上述技術方案所產生的有益效果在於：1、本發明利用氮化鋁晶須長徑比高、結構完整、缺陷少、強度和模量高的優點與氮化鋁複合製備出複合陶瓷基板，彎曲強度達到450MPa～600MPa，提高了氮化鋁陶瓷的強度，使其作為電子封裝基板使用時具有更高的可靠性。2、本發明工藝簡單易於實現工業化生產。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明；圖1是本發明的工藝流程圖。具體實施方式實施例1一種電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料，複合陶瓷粉料中包括如下固體原料：氮化鋁65wt.%，氮化鋁晶須30wt.%和燒結助劑5wt.%；複合陶瓷粉料經球磨混合製成陶瓷漿料、造粒、成型、加熱、燒結製成氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。燒結助劑選用溶膠凝膠法製備的納米釔鋁石榴石和氟化鈣的混合粉體，其中，納米釔鋁石榴石和氟化鈣的質量比為5:1。氮化鋁為高純微米級顆粒，氮化鋁含量99.9％，粒徑為1.5～3.0微米。氮化鋁晶須為長柱狀單晶，長徑比40～100，直徑0.8～3.5微米。上述電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料的製法，包括下列步驟：（1）將固體原料氮化鋁晶須、氮化鋁和燒結助劑中加入乙醇、分散劑以及粘結劑，球磨混合36h製成混合均勻的陶瓷漿料。採用的分散劑為：PVP和聚丙烯醯胺混合物，其中PVP為氮化鋁晶須的分散劑，添加量為氮化鋁晶須質量的2.0%；聚丙烯醯胺為氮化鋁的分散劑，添加量為固體原料總重量的0.9%。採用的粘結劑為：聚碳酸丙烯酯，粘結劑添加量為固體原料總重量的0.55%。步驟(1)採用的混料方法為：先將PVP與一部分乙醇混合後再分散氮化鋁晶須，固含量為35wt.%，並用5wt.%氫氧化鈉水溶液調節pH至8，混合均勻後，再與氮化鋁、燒結助劑、聚丙烯醯胺、粘結劑和剩餘的乙醇混合，球磨混合36h製成混合均勻的陶瓷漿料。步驟(1)需加乙醇總量控制在使陶瓷漿料固含量為70wt.%。（2）將混合均勻漿料採用噴霧造粒方法乾燥、制粉；採用幹壓成型工藝預置成型，而後等靜壓成型，等靜壓成型壓力為100MPa，製得成型坯體。（3）所得成型坯體在550℃～570℃條件下保溫4h排除內部有機物；有機物包括分散劑和粘結劑。（4）在流動氮氣氣氛下1800～1820℃、保溫4小時的條件下燒結，得到陶瓷，經雙面磨拋後即製得電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。實施例2一種電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料，複合陶瓷粉料中包括如下固體原料：氮化鋁90wt.%，氮化鋁晶須7wt.%和燒結助劑3wt.%；複合陶瓷粉料經球磨混合製成陶瓷漿料、造粒、成型、加熱、燒結製成氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。燒結助劑選用溶膠凝膠法製備的納米釔鋁石榴石和氟化鈣的混合粉體，其中，納米釔鋁石榴石和氟化鈣的質量比為10：1。氮化鋁為高純微米級顆粒，氮化鋁含量99.9％，粒徑為1.5～3.0微米。氮化鋁晶須為長柱狀單晶，長徑比40～100，直徑0.8～3.5微米。上述電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料的製法，包括下列步驟：（1）將固體原料氮化鋁晶須、氮化鋁和燒結助劑中加入乙醇、分散劑以及粘結劑，球磨混合48h製成混合均勻的陶瓷漿料。採用的分散劑為：PVP和聚丙烯醯胺混合物，其中PVP為氮化鋁晶須的分散劑，添加量為氮化鋁晶須質量的0.5%；聚丙烯醯胺為氮化鋁的分散劑，添加量為固體原料總重量的0.8%。採用的粘結劑為：聚碳酸丙烯酯QPAC，粘結劑添加量為固體原料總重量的0.75%。步驟(1)採用的混料方法為：先將PVP與一部分乙醇混合後再分散氮化鋁晶須，固含量為30wt.%，並用6wt.%氫氧化鈉水溶液調節pH至10，混合均勻後，再與氮化鋁、燒結助劑、聚丙烯醯胺、粘結劑和剩餘的乙醇混合，球磨混合48h製成混合均勻的陶瓷漿料。步驟(1)需加乙醇總量控制在使陶瓷漿料固含量為60wt.%。（2）將混合均勻漿料採用噴霧造粒方法乾燥、制粉；採用幹壓成型工藝預置成型，而後等靜壓成型，等靜壓成型壓力為150MPa，製得成型坯體。（3）所得成型坯體在580℃～600℃條件下保溫3.5h排除內部有機物；有機物包括分散劑和粘結劑。（4）在流動氮氣氣氛下1790～1810℃、保溫3小時的條件下燒結，得到陶瓷，經雙面磨拋後即製得電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料。實施例3一種電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料，複合陶瓷粉料中包括如下固體原料：氮化鋁75wt.%，氮化鋁晶須21wt.%和燒結助劑4wt.%；複合陶瓷粉料經球磨混合製成陶瓷漿料、造粒、成型、加熱、燒結製成氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。燒結助劑選用溶膠凝膠法製備的納米釔鋁石榴石和氟化鈣的混合粉體，其中，納米釔鋁石榴石和氟化鈣的質量比為5:1。氮化鋁為高純微米級顆粒，氮化鋁含量99.9％，粒徑為1.5～3.0微米。氮化鋁晶須為長柱狀單晶，長徑比40～100，直徑0.8～3.5微米。上述電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料的製法，包括下列步驟：（1）將固體原料氮化鋁晶須、氮化鋁和燒結助劑中加入乙醇、分散劑以及粘結劑，球磨混合42h製成混合均勻的陶瓷漿料。採用的分散劑為：PVP和聚丙烯醯胺混合物，其中PVP為氮化鋁晶須的分散劑，添加量為氮化鋁晶須質量的1.0%；聚丙烯醯胺為氮化鋁的分散劑，添加量為固體原料總重量的0.7%。採用的粘結劑為：聚碳酸丙烯酯，粘結劑添加量為固體原料總重量的0.5%。步驟(1)採用的混料方法為：先將PVP與一部分乙醇混合後再分散氮化鋁晶須，固含量為40wt.%，並用7wt.%氫氧化鈉水溶液調節pH至8，混合均勻後，再與氮化鋁、燒結助劑、聚丙烯醯胺、粘結劑和剩餘的乙醇混合，球磨混合42h製成混合均勻的陶瓷漿料。步驟(1)需加乙醇總量控制在使陶瓷漿料固含量為50wt.%。（2）將混合均勻漿料採用噴霧造粒方法乾燥、制粉；採用幹壓成型工藝預置成型，而後等靜壓成型，等靜壓成型壓力為110MPa，製得成型坯體。（3）所得成型坯體在550℃～560℃條件下保溫2.5h排除內部有機物；有機物包括分散劑和粘結劑。（4）在流動氮氣氣氛下1830～1850℃、保溫4小時的條件下燒結，得到陶瓷，經雙面磨拋後即製得電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料。實施例4一種電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料，複合陶瓷粉料中包括如下固體原料：氮化鋁90wt.%，氮化鋁晶須5wt.%和燒結助劑5wt.%；複合陶瓷粉料經球磨混合製成陶瓷漿料、造粒、成型、加熱、燒結製成氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。燒結助劑選用溶膠凝膠法製備的納米釔鋁石榴石和氟化鈣的混合粉體，其中，納米釔鋁石榴石和氟化鈣的質量比為2:1。氮化鋁為高純微米級顆粒，氮化鋁含量99.9％，粒徑為1.5～3.0微米。氮化鋁晶須為長柱狀單晶，長徑比40～100，直徑0.8～3.5微米。上述電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料的製法，包括下列步驟：（1）將固體原料氮化鋁晶須、氮化鋁和燒結助劑中加入乙醇、分散劑以及粘結劑，球磨混合39h製成混合均勻的陶瓷漿料。採用的分散劑為：PVP和聚丙烯醯胺混合物，其中PVP為氮化鋁晶須的分散劑，添加量為氮化鋁晶須質量的1.5%；聚丙烯醯胺為氮化鋁的分散劑，添加量為固體原料總重量的0.6%。採用的粘結劑為：聚碳酸丙烯酯，粘結劑添加量為固體原料總重量的0.8%。步驟(1)採用的混料方法為：先將PVP與一部分乙醇混合後再分散氮化鋁晶須，固含量為50wt.%，並用8wt.%氫氧化鈉水溶液調節pH至9，混合均勻後，再與氮化鋁、燒結助劑、聚丙烯醯胺、粘結劑和剩餘的乙醇混合，球磨混合39h製成混合均勻的陶瓷漿料。步驟(1)需加乙醇總量控制在使陶瓷漿料固含量為40wt.%。（2）將混合均勻漿料採用噴霧造粒方法乾燥、制粉；採用幹壓成型工藝預置成型，而後等靜壓成型，等靜壓成型壓力為120MPa，製得成型坯體。（3）所得成型坯體在590℃～600℃條件下保溫3h排除內部有機物；有機物包括分散劑和粘結劑。（4）在流動氮氣氣氛下1700～1720℃、保溫4小時的條件下燒結，得到陶瓷，經雙面磨拋後即製得電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料。實施例5一種電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料，複合陶瓷粉料中包括如下固體原料：氮化鋁65wt.%，氮化鋁晶須32wt.%和燒結助劑3wt.%；複合陶瓷粉料經球磨混合製成陶瓷漿料、造粒、成型、加熱、燒結製成氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。燒結助劑選用溶膠凝膠法製備的納米釔鋁石榴石和氟化鈣的混合粉體，其中，納米釔鋁石榴石和氟化鈣的質量比為7:1。氮化鋁為高純微米級顆粒，氮化鋁含量99.9％，粒徑為1.5～3.0微米。氮化鋁晶須為長柱狀單晶，長徑比40～100，直徑0.8～3.5微米。上述電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料的製法，包括下列步驟：（1）將固體原料氮化鋁晶須、氮化鋁和燒結助劑中加入乙醇、分散劑以及粘結劑，球磨混合45h製成混合均勻的陶瓷漿料。採用的分散劑為：PVP和聚丙烯醯胺混合物，其中PVP為氮化鋁晶須的分散劑，添加量為氮化鋁晶須質量的0.8%；聚丙烯醯胺為氮化鋁的分散劑，添加量為固體原料總重量的0.5%。採用的粘結劑為：聚碳酸丙烯酯，粘結劑添加量為固體原料總重量的0.6%。步驟(1)採用的混料方法為：先將PVP與一部分乙醇混合後再分散氮化鋁晶須，固含量為45wt.%，並用9wt.%氫氧化鈉水溶液調節pH至7，混合均勻後，再與氮化鋁、燒結助劑、聚丙烯醯胺、粘結劑和剩餘的乙醇混合，球磨混合45h製成混合均勻的陶瓷漿料。步驟(1)需加乙醇總量控制在使陶瓷漿料固含量為55wt.%。（2）將混合均勻漿料採用噴霧造粒方法乾燥、制粉；採用幹壓成型工藝預置成型，而後等靜壓成型，等靜壓成型壓力為130MPa，製得成型坯體。（3）所得成型坯體在570℃～590℃條件下保溫4h排除內部有機物；有機物包括分散劑和粘結劑。（4）在流動氮氣氣氛下1800～1850℃、保溫2.5小時的條件下燒結，得到陶瓷。（5）陶瓷經雙面磨拋後即製得電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料。實施例6一種電子封裝用氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料，複合陶瓷粉料中包括如下固體原料：氮化鋁82wt.%，氮化鋁晶須15wt.%和燒結助劑3wt.%；複合陶瓷粉料經球磨混合製成陶瓷漿料、造粒、成型、加熱、燒結製成氮化鋁晶須增強氮化鋁陶瓷複合材料。燒結助劑選用溶膠凝膠法製備的納米釔鋁石榴石和氟化鈣的混合粉體，其中，納米釔鋁石榴石和氟化鈣的質量比為3:1。氮化鋁為高純微米級顆粒，氮化鋁含量99.9％，粒徑為1.5～3.0微米。氮化鋁晶須為長柱狀單晶，長徑比40～100，直徑0.8～3.5微米。上述電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料的製法，包括下列步驟：（1）將固體原料氮化鋁晶須、氮化鋁和燒結助劑中加入乙醇、分散劑以及粘結劑，球磨混合36h製成混合均勻的陶瓷漿料。採用的分散劑為：PVP和聚丙烯醯胺混合物，其中PVP為氮化鋁晶須的分散劑，添加量為氮化鋁晶須質量的1.7%；聚丙烯醯胺為氮化鋁的分散劑，添加量為固體原料總重量的1.0%。採用的粘結劑為：聚碳酸丙烯酯，粘結劑添加量為固體原料總重量的0.7%。步驟(1)採用的混料方法為：先將PVP與一部分乙醇混合後再分散氮化鋁晶須，固含量為32wt.%，並用10wt.%氫氧化鈉水溶液調節pH至8，混合均勻後，再與氮化鋁、燒結助劑、聚丙烯醯胺、粘結劑和剩餘的乙醇混合，球磨混合36h製成混合均勻的陶瓷漿料。步驟(1)需加乙醇總量控制在使陶瓷漿料固含量為45wt.%。（2）將混合均勻漿料採用噴霧造粒方法乾燥、制粉；採用幹壓成型工藝預置成型，而後等靜壓成型，等靜壓成型壓力為140MPa，製得成型坯體。（3）所得成型坯體在560℃～580℃條件下保溫2h排除內部有機物；有機物包括分散劑和粘結劑。（4）在流動氮氣氣氛下1800～1830℃、保溫4小時的條件下燒結，得到陶瓷。（5）陶瓷經雙面磨拋後即製得電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷複合材料。最終製得的電子封裝用氮化鋁晶須增強的氮化鋁陶瓷材料主要性能如下：熱導率170～200W/m·K彎曲強度450MPa～600MPa密度3.3g/cm3介電常數：8.7±0.2(1MHz)損耗因子：6×10-4(1MHz)電阻率：>1014Ω•cm擊穿電壓：>14KV/mm熱膨脹係數（25℃～300℃）：4.7±0.3ppm/℃。本發明利用氮化鋁晶須長徑比高、結構完整、缺陷少、強度和模量高的優點與氮化鋁複合製備出複合陶瓷基板，彎曲強度達到450MPa～600MPa，比現有陶瓷強度提高了50%～100%，使其作為電子封裝基板使用時具有更高的可靠性。本發明工藝簡單易於實現工業化生產。