一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法和应用，涉及氮化铝陶瓷材料技术领域。氮化铝陶瓷基板的制备方法，包括：S1，通过真空无压烧结法制备氮化铝陶瓷材料；S2，将所述氮化铝陶瓷材料在空气气氛的条件下进行氧化，得到氮化铝陶瓷基板；其中，所述氮化铝陶瓷材料的原料包括氮化铝、氮化锆以及稀土氧化物。本发明专利技术制备得到的氮化铝陶瓷基板具有高热导以及高抗弯强度，可应用于电子元器件基板中。可应用于电子元器件基板中。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及氮化铝陶瓷材料
，尤其涉及一种氮化铝陶瓷基板及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氮化铝是以[AlN4]四面体为结构单元的共价键化合物。氮化铝具有纤锌矿结构，属于六方晶系，是一种综合性能优良的新型陶瓷材料。氮化铝的晶格常数为a＝0.3110nm、c＝0.4978nm、理论密度为3.26g/cm3，具有优异的导热性能。氮化铝具有与Si相接近的低热膨胀系数、高电绝缘性、低介电系数和介电损耗、无毒、良好的高温力学性能以及良好的机械性能和优异的耐腐蚀性等优异性能，因而受到了国内外研究者的广泛重视。
[0003]氮化铝陶瓷以其独特的优异性能，在高频通信、高功率集成电路(IC)、高功率IGBT模块以及LED照明、风能光伏发电、新能源汽车等新兴领域的应用逐渐普及。由于高集成度、大功率的电子元器件在工作时存在电流大、温度高、频率高等一系列问题，为了避免电子元器件因过热而失效，影响电子元器件及电路的可靠性。对氮化铝陶瓷基板的强度也有了更高的要求，需保证足够高的强度才能保证电子元器件拥有较长的使用寿命以及系统间的可靠性，因此制备具有高导热高强度的氮化铝陶瓷是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是如何制备具有高导热高强度的氮化铝陶瓷基板。
[0005]为了解决上述问题，第一方面，本专利技术提出一种氮化铝陶瓷基板的制备方法，包括：
[0006]S1，通过真空无压烧结法制备氮化铝陶瓷材料；
[0007]S2，将所述氮化铝陶瓷材料在空气气氛的条件下进行氧化，得到氮化铝陶瓷基板；
[0008]其中，所述氮化铝陶瓷材料的原料包括氮化铝、氮化锆以及稀土氧化物。
[0009]其进一步的技术方案为，按质量份计，所述氮化铝陶瓷材料的原料包括氮化铝85
‑
100份，氮化锆0.5
‑
6份以及稀土氧化物0.5
‑
10份。
[0010]其进一步的技术方案为，氮化锆的粒径为100nm
‑
500nm。
[0011]其进一步的技术方案为，步骤S2中氧化的工艺条件包括：升温速率为2
‑
10℃/min、温度区间为200
‑
700℃以及保温时间为30
‑
180min。
[0012]其进一步的技术方案为，步骤S1包括：
[0013]S11，将氮化铝陶瓷材料的原料研磨至0.3
‑
1.5μm，得到混合均匀的粉体；
[0014]S12，将所述粉体模压成型，得到坯体，对所述坯体进行冷等静压处理后，进行真空无压烧结。
[0015]其进一步的技术方案为，步骤S2包括：
[0016]S21，将所述氮化铝陶瓷材料加工成预设形状的基板中间体；
[0017]S22，将所述基板中间体在空气气氛的条件下进行氧化，得到氮化铝陶瓷基板。
[0018]其进一步的技术方案为，步骤S11中，研磨的介质包括第一研磨球、第二研磨球以及第三研磨球；所述第一研磨球为球径为0.5
‑
5mm的氧化锆球；所述第二研磨球为球径为7
‑
10mm的氧化锆球；所述第二研磨球为球径为12
‑
15mm的氧化锆球；所述第一研磨球、所述第二研磨球以及所述第三研磨球的质量比为1
‑
4：1
‑
2：1。
[0019]其进一步的技术方案为，步骤S12中，真空无压烧结包括如下步骤：
[0020]S121，将经过冷等静压处理后的坯体放入坩埚内，将所述坩埚置于高真空碳管炉内；
[0021]S122，对所述高真空碳管炉进行抽真空操作，当真空度达到100Pa时，向所述高真空碳管炉内通入氮气至一个大气压；
[0022]S123，重复执行3
‑
5次步骤S122；
[0023]S124，将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热；在温度升至500
‑
800℃时，将炉内通满氮气，继续升温至1600
‑
2000℃后开始冷却至室温。
[0024]第二方面，本专利技术提出一种氮化铝陶瓷基板，根据第一方面所述的方法制备得到。
[0025]第二方面，本专利技术提出第二方面所述的氮化铝陶瓷基板在电子元器件中的应用。
[0026]与现有技术相比，本专利技术所能达到的技术效果包括：
[0027]本专利技术提供的高性能氮化铝陶瓷基板的制备方法，以氮化锆、稀土氧化物作为烧结助剂，其加入能有助于降低烧结温度，形成液相烧结，促进陶瓷的致密化行为；同时，氧化钇能够有效的去除AlN颗粒中的氧杂质，有效提升热导率。
[0028]掺杂氮化锆的氮化铝陶瓷在空气中氧化处理以降低氮化铝陶瓷氧化的温度，氧化会在氮化铝陶瓷表面形成连续的氧化层，由于ZrN的热膨胀系数和ZrO2的热膨胀系数不同，产生的氧化锆层与氮化铝陶瓷基体之间的热膨胀差异引起热应力从而增强陶瓷基体中的残余压应力。增强的残余应力抑制了裂纹扩展并降低了界面热阻。从而提高了氮化铝陶瓷的抗弯强度和导热性。
[0029]综上，本专利技术提供的高性能氮化铝陶瓷基板氧化处理的方法，通过搭配氮化锆和稀土氧化物烧结助剂，将无压烧结制备的氮化铝陶瓷加工至指定尺寸后，于马弗炉中在200
‑
700℃进行氧化处理，得到的陶瓷基板性能大大提高。当氮化锆的粒径为100nm时，在马弗炉中500℃氧化处理60min，制备出的氮化铝陶瓷的性能参数为：通过激光闪光法得出热导率可达172.92Wm
‑1K
‑1，通过万能试验机进行三点抗弯试验，抗弯强度可达400.63MPa，采用煮水法按照阿基米德原理计算出致密度可达到99.29％。当氮化锆的粒径为500nm时，在马弗炉中500℃氧化处理60min，制备出的氮化铝陶瓷其性能参数为：通过激光闪光法得出热导率可达174.32Wm
‑1K
‑1，通过万能试验机进行三点抗弯试验，抗弯强度可达397.28MPa，采用煮水法按照阿基米德原理计算出致密度可达到98.18％。
具体实施方式
[0030]应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0031]还应当理解，在此本专利技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本专利技术。如在本专利技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上
下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0032]本专利技术的实施例提供一种氮化铝陶瓷基板的制备方法，其包括：
[0033]S1，通过真空无压烧结法制备氮化铝陶瓷材料。其中，所述氮化铝陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括：S1，通过真空无压烧结法制备氮化铝陶瓷材料；S2，将所述氮化铝陶瓷材料在空气气氛的条件下进行氧化，得到氮化铝陶瓷基板；其中，所述氮化铝陶瓷材料的原料包括氮化铝、氮化锆以及稀土氧化物。2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，按质量份计，所述氮化铝陶瓷材料的原料包括氮化铝85
‑
100份，氮化锆0.5
‑
6份以及稀土氧化物0.5
‑
10份。3.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，氮化锆的粒径为100nm
‑
500nm。4.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤S2中氧化的工艺条件包括：升温速率为2
‑
10℃/min、温度区间为200
‑
700℃以及保温时间为30
‑
180min。5.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：S11，将氮化铝陶瓷材料的原料研磨至0.3
‑
1.5μm，得到混合均匀的粉体；S12，将所述粉体模压成型，得到坯体，对所述坯体进行冷等静压处理后，进行真空无压烧结。6.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：S21，将所述氮化铝陶瓷材料加工成预设形状的基板中间体；S22，...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍尚华，汪亮，盛鹏飞，聂光临，郭伟明，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：