一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法
2023-05-16 19:25:46
一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，涉及微電子封裝領域，尤其涉及AlN陶瓷助燒劑添加及低溫燒結新技術。其選用高純度的AlN粉體，添加無水硝酸釔和無水硝酸鈣為助燒劑，加入有機溶劑，溼法混料；乾燥後，將混合粉在640-680℃下進行煅燒，再加入成形劑，混合均勻後，經壓製成型，在1600-1800℃下燒結，製得AlN陶瓷。本發明以無水硝酸鹽的形式添加燒結助劑，不僅能有效改善AlN陶瓷中助燒劑的成分均勻性和分布均勻性，而且助燒劑粉體粒徑細小，活性高，有助於降低AlN陶瓷燒結溫度。本發明製備的AlN陶瓷結構緻密，晶粒細小而均勻，力學性能和熱學性能優良。
【專利說明】—種微電子封裝用AIN陶瓷基板的製備方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明技術涉及微電子封裝材料領域，具體地說是一種性能優良的微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，其主要用於電子封裝陶瓷。
[0002]【背景技術】:
隨著微電子技術的不斷發展，電子系統集成度的提高導致功率密度提高，以及電子元件和系統整體工作產生的熱量增加，然而傳統的氧化鋁陶瓷基板材料已經難以滿足電子封裝工業日益提高的使用要求。
[0003]AlN陶瓷具有熱導率高、無毒、無害、電絕緣性能好、介質損耗低、熱膨脹係數與半導體矽材料匹配等性能優點，可保證電子元件不因熱效應而失效，可進行多層布線，實現封裝的高密度和小型化，廣泛應用於電子、冶金、機械、軍工等諸多領域，AlN陶瓷是近年來受到普遍關注的新一代先進陶瓷材料。
[0004]AlN屬於化合物，自擴散係數小，燒結緻密化困難，通常需要加入一定量的燒結助劑來促進燒結，在燒結過程中，燒結助劑與AlN表面的氧化鋁形成液相，通過液相燒結機制完成AlN陶瓷的緻密化。其中，具有代表性的燒結助劑是含鈣化合物和含釔化合物，其中，Y203、CaO及兩者的混合物是 典型的燒結助劑類型，也是AlN陶瓷燒結最常採用的助燒劑體系。通常，採用該種助燒劑時，AlN陶瓷的燒結溫度在1800°C以上Α1Ν。燒結溫度高，不僅耗能高，產品變形嚴重，合格率低，生產設備損耗嚴重，而且難以實現AlN與金屬漿料的共同燒結等。另外，AlN表層的氧在高溫下會向晶格內部擴散，對AlN陶瓷的熱導率的提升是不利的。降低AlN陶瓷的燒結溫度是電子封裝用AlN陶瓷研製和生產的發展方向之一。
[0005]燒結AlN陶瓷通常添加稀土氧化合物或鹼土氧化物做燒結助劑，如CaO、Y2O3>Sm2O3^Dy2O3等，以各組元氧化物的粉體直接添加至AlN粉體中，存在各組元氧化物粉在AlN粉體中混合不均勻，局部發生偏聚或缺失，燒結時易因助燒劑分布不均導致AlN陶瓷局部欠燒或過燒現象的發生，，形成氣孔、晶粒過分粗大、助燒劑在AlN晶間連續分布等結構缺陷，降低AlN陶瓷的性能。
[0006]根據已發表的文獻和專利報導，通常採用的製備方法為燒結助劑和AlN粉體直接通過球磨混料，通過這種方式添加，不可避免地產生氣孔、燒結不完全、晶粒尺寸不均勻、第二相聚集等缺陷，甚至出現基板捲曲、開裂，都會大幅度降低AlN陶瓷的熱導率和抗彎強度。
[0007]針對上述現有AlN陶瓷製備工藝的不足之處，本發明設計了「一種AlN電子封裝基板的製備方法」。
[0008]
【發明內容】
:
本發明針對上述現有AlN陶瓷製備工藝的不足所要解決的技術中燒結助劑組元在AlN陶瓷中成分均勻性及分布均勻性差而產生各種結構與性能缺陷的問題，以及燒結溫度過高帶來的不良影響，發明了一種陶瓷基板的製備工藝，燒結助劑中各組元成分均勻，助燒劑在AlN陶瓷中分布均勻，且能在較低燒結溫度下實現AlN陶瓷的液相燒結，細化AlN晶粒，製備性能優良的AlN陶瓷電子封裝材料。[0009]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，其特徵在於，先將含水硝酸鹽在260-280°C脫水處理20-30min，去除硝酸鹽中的結晶水後，然後將無水硝酸鹽燒結助劑在無水乙醇試劑中球磨分散1-1.5h,再添加粒徑為1-1.5 μ m、比表面積為3.0m2/g的AlN粉體，溼法球磨2-3h，製成漿料；漿料在120-140°C乾燥1-2h，過60-80目篩後，放入馬弗爐中，在空氣氣氛中、640-680°C溫度下煅燒20-30min，煅燒後的粉體過60-80目篩，再添加成形劑，在90-100°C水浴鍋內均勻加熱，每2-3 min攪拌一次，共水浴50-60 min ;待冷卻到室溫後再過60-80目篩，混合粉採用單向壓制方式成形，580-600°C保溫20-30min，排膠，最後燒結，隨爐冷卻得到高熱導率AlN陶瓷基板。
[0010]所述的含水硝酸鹽選自商用六水硝酸釔、四水硝酸鈣中的一種或兩種，其質量為AlN 粉體的 15-20%。
[0011]所述的無水乙醇與無水硝酸鹽的重量比為4-5:1。
[0012]所述的成形劑為固體石蠟，其質量為AlN粉體的8-12%。
[0013]所述的壓製成形壓力為65-70 MPa，保壓4_7s。
[0014]所述的燒結是在N2保護氣氛中進行，升溫速率8 -1O0C /min，燒結溫度1600-1800°C，保溫 3-5 h。
[0015]與已有技術相比，本發明的有益效果體現在:
(I)因為硝酸鹽易溶於酒精，形成均勻的溶液，溶於酒精中的助燒劑可保證助硝酸鹽中各離子按設定的成分均勻混合併均勻地分布在AlN粉體周圍，該技術保證了多元燒結助劑的組元間成分均勻性及燒結助劑與AlN粉體混合的均勻性，克服了直接添加助燒劑氧化物粉體時成分及分布不均勻的現象。
[0016](2)煅燒後原位生成的助燒劑氧化物顆粒度小，比表面積大，活性高，成分均勻且在AlN粉體中分布均勻，在燒結過程中，可按預設的成分比例形成液相，有利於AlN陶瓷均勻緻密化，降低燒結溫度，製備的AlN陶瓷晶粒尺寸均勻，第二相分布均勻且位於AlN晶粒的三叉晶界，力學性能和熱學性能優良。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例1燒結後的顯微形貌照片。
[0018]圖2為本發明實施例2燒結後的顯微形貌照片。
[0019]圖3為本發明實施例3燒結後的顯微形貌照片。
【具體實施方式】
[0020]實施例1
首先選用粒徑為1.2 μ m、比表面積為3.0 m2/g的高純度AlN粉，含氧量為1.2 wt%,各成分量為:A1N 192.0 g、Y (NO3) 3.6H20 13.56g, Ca (NO3)2.4H20 16.84 g ；
製作工藝:首先含水 硝酸鹽在270°C保溫30min，經過脫水處理，去除硝酸鹽中的結晶水後，將無水硝酸鹽和100g酒精放入球磨罐中，球磨磨60 min，再加入192.0gAlN粉體，球磨ISOmin後。在120°C恆溫乾燥箱內乾燥2h，過60目篩；使用馬弗爐，將混合粉在670°C下保溫30min進行煅燒，煅燒後的粉體過60目篩，添加18.5 g固體石蠟，在100°C水浴鍋內均勻加熱，每3 min攪拌一次，共水浴60 min ;待冷卻到室溫後再過60目篩，混合粉採用單向壓制方式，成形壓力為66.4 MPa、保壓5 s,壓製成直徑為48.6 mm,厚度為2.9 mm的圓片；將該圓片在排膠爐中580 °C保溫30min排膠，然後放在真空碳管爐中，在N2保護氣氛中進行燒結。具體的燒結工藝為:升溫速率8°C/min，燒結溫度1700°C，保溫4h，然後隨爐冷卻。
[0021]製備的AlN陶瓷的性能:熱導率為143 W. ，三點抗彎強度為331MPa。
[0022]實施例2
本實施例的製備方法同實施例1，不同的是煅燒溫度為640°C，燒結溫度為1650°C。
[0023]製備的AlN陶瓷的性能:熱導率為114 W.π 1. ，三點抗彎強度為317 MPa。
[0024]實施例3
本實施例的製備方法同實施例1，不同的是煅燒溫度為680°C，燒結溫度為1800 °C。
[0025]製備的AlN陶瓷的性能:熱導率為109W.π 1.K—1，三點抗彎強度為328 MPa。
【權利要求】
1.一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，其特徵在於，先將含水硝酸鹽在260-280°C脫水處理20-30min，去除硝酸鹽中的結晶水後，然後將無水硝酸鹽燒結助劑在無水乙醇試劑中球磨分散1-1.5h,再添加粒徑為1-1.5 μ m、比表面積為3.0m2/g的AlN粉體，溼法球磨2-3h，製成漿料；漿料在120-140°C乾燥1-2h，過60-80目篩後，放入馬弗爐中，在空氣氣氛中、640-680°C溫度下煅燒20-30min，煅燒後的粉體過60-80目篩，再添加成形劑，在90-100°C水浴鍋內均勻加熱，每2-3 min攪拌一次，共水浴50-60 min ;待冷卻到室溫後再過60-80目篩，混合粉採用單向壓制方式成形，580-600°C保溫20-30min，排膠，最後燒結，隨爐冷卻得到高熱導率AlN陶瓷基板。
2.根據權利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，其特徵在於，所述的含水硝酸鹽選自商用六水硝酸釔、四水硝酸鈣中的一種或兩種，其質量為AlN粉體的I5-20%ο
3.根據權利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，其特徵在於，所述的無水乙醇與無水硝酸鹽的重量比為4-5:1。
4.根據權利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，其特徵在於，所述的成形劑為固體石蠟，其質量為AlN粉體的8-12%。
5.根據權利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，其特徵在於，所述的壓製成形壓力為65-70 MPa，保壓4_7s。
6.根據權利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的製備方法，其特徵在於，所述的燒結是在N2保護氣氛中進行，升溫速率8 -10°C/min，燒結溫度1600 -1800°C，保溫3-5 ho
【文檔編號】C04B35/58GK103539457SQ201310454486
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】湯文明, 崔嵩, 張 浩, 郭軍, 劉俊永, 耿春磊, 吳玉彪, 詹俊, 李建青 申請人:合肥工業大學, 華東微電子技術研究所合肥聖達實業公司