一种由聚合物先驱体制备绝缘导热陶瓷涂层的方法技术

本发明专利技术涉及一种绝缘导热陶瓷涂层的制备方法，是以聚合物先驱体如聚硅氮烷、聚硅氧烷和聚碳硅烷中的一种或几种为基料，配以各种陶瓷填料、活性填料以及溶剂和各种助剂，按如下步骤进行：１．在聚合物先驱体中加入一定分量的填料、溶剂和助剂，搅拌均匀并高速研磨后配成浆料；２．用刷涂或喷涂的方式将浆料涂装在处理过的基底材料（包括金属、陶瓷、石墨、Ｃ／Ｃ复合材料等）表面；３．将带有涂层的基底材料在１００℃～３００℃下真空热处理１～２个小时，使聚合物先驱体发生交联反应；４．将处理后的材料在气体保护下进行高温处理，即在４００℃～１０００℃下处理１～５个小时，然后自然降温，得到在基底材料表面上的陶瓷涂层。本发明专利技术具有涂装和热处理工艺简单、绝缘性能和导热性能优异、耐高温性能佳以及优异的高温抗裂性等特点。有望在电子电工行业得到广泛的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备具有优异绝缘、导热和机械性能的陶瓷涂层的方法，及根 据上述方法制备的陶瓷涂层， 一种可用于电子电工行业的绝缘导热涂层。属于 涂层制备领域。
技术介绍
现代陶瓷材料以它优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能在各种工程机械、 设备及构件中得到了广泛的应用。同时随着高性能陶瓷材料的开发以及新型应 用的拓展， 一些陶瓷材料也以其优异的绝缘性、耐热性、导热性和低收縮性能 而越来越受到电子电工行业的重视。到目前为止，已成功应用于电子封装行业的陶瓷材料有低温共烧陶瓷(LTCC)以及高温烧结氮化铝陶瓷(A1N): LTCC 具有优良的耐热性和绝缘性能，但其导热性能较低；A1N陶瓷具有优异的导热 性、绝缘性和低收縮性，但其烧结温度高达1S0(TC，导致其加工成本高居不 下。在实际应用中，绝缘与导热是一对矛盾金属是良好的导热体，同时又是 很好的导电材料；陶瓷具有优异的绝缘性，但要做到良好的导热却很困难。如 何将金属的导热性与陶瓷的绝缘性整合起来，同时又能够大幅降低成本，成为 当今新型材料开发的一个挑战。金属表面陶瓷涂层技术无疑是解决这个问题的 有效手段之一。金属材料借助于陶瓷涂层而起到了绝缘、耐热、耐腐蚀、抗磨 损作用，也保留了自身的高强度、高导热性、高韧性等优点。在电子封装行业中，用于大功率电子产品散热的绝缘金属基板的最核心的 技术就是电路层和金属基层之间的绝缘层材料的设计,绝缘层的热传导性能越 好，就越有利于器件运行时所产生热量的扩散，也就越有利于降低器件的运行 温度。陶瓷涂层的绝缘性、耐热性和导热性能明显优于树脂类涂层，己经成为大功率电子产品散热用绝缘金属基板的主要研究方向。在现阶段，工业生产中 最常用的陶瓷层生产方法主要有1，喷涂法一包括等离子喷涂、热喷涂、爆 炸喷涂；2，气相沉积法一包括化学气相沉积、物理气相沉积；3，共烧法一包 括高温共烧法、低温共烧法；4，电化学法—包括阳极氧化法、微弧氧化法。 上述的陶瓷涂层生产工艺主要是为了解决金属材料的耐磨损、耐高温、耐腐蚀 的应用要求。而对于大功率电子封装应用要求的绝缘性和导热性，目前主要是 依靠对传统的低温共烧法、阳极氧化法以及微弧氧化法等工艺的改进，以适应 封装工艺的要求，但效果仍不显著。聚合物先驱体材料是通过化学方法合成的一类有机聚合物， 一般含有硅， 它可以在一定温度范围内发生裂解，转化为无定形或结晶体陶瓷。1975年矢 岛圣使等人利用聚碳硅烷(PCS)，成功地制备出SiC陶瓷纤维，开辟了有机先驱 体向无机陶瓷转化的新领域。近年来我国国防科技大学及中科院化学所在先驱 体的开发研制，以及采用先驱体转化法制备陶瓷纤维及陶瓷基复合材料等方面 取得了较大的进展。由于先驱体的裂解产物为陶瓷材料，其高温性能稳定且与 陶瓷基材的热膨胀系数接近；同时先驱体作为有机高分子材料又具有流动性 好、成形方便以及结构、组分可设计等特点，相比于传统制备技术，先驱体转 化法制备陶瓷产品具有制备温度较低，所得陶瓷的纯度高，成型方便等优点， 是陶瓷及陶瓷基复合材料最有前途的制备方法之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是将聚合物先驱体转化成陶瓷的工艺与陶瓷涂层工艺结合 起来，以更为简便的方法，在基底材料表面上制得一层具有优良的绝缘性、导 热性和耐热性的陶瓷涂层。这种涂层可作为绝缘金属基板的电路层和金属基层 之间的绝缘层，是制备具有高导热性能的绝缘金属基板的关键材料。本专利技术是以聚合物先驱体如聚硅氮烷、聚硅氧垸和聚碳硅烷为基料，向其中加入氮化铝、氮化硅、氮化钽、氮化硼、碳化硅、碳化硼、氧化硅、氧化铝等陶瓷填料中的一种或几种，以及钛、硅、铝、硼等活性填料中的一种或几种。同时加入一定量的溶剂用以调节浆料粘度，并加入硅烷偶联剂以改善聚合物先驱体对填料的润湿性。聚合物先驱体在向陶瓷转化的过程中会有小分子气体逸出，因此发生质量损失而导致体积收縮，使得陶瓷产物中会产生孔隙和裂纹等缺陷，影响到制品的完整性和接合强度。本专利技术所使用的陶瓷填料属于惰性填料，其中氮化铝、氮化钽、氮化硼、碳化硅等填料一方面起到提高导热性的作用，另一方面其粒子也具有体积效应，可降低先驱体向陶瓷转化过程中的体积收縮；氧化硅由于其熔点较低，可以在反应温度下变成熔融状态，因此就可以填充先驱体裂解而产生的裂缝和孔隙；钛、硅、铝等活性填料在聚合物先驱体向陶瓷转化的过程中能够与其裂解产物发生一系列化学反应，产生相关的碳化物、氮化物或者氧化物，是降低气孔率和收縮率的有效办法；活性填料还可与基材中的元素发生适当的界面反应，促进界面结合，提高涂层的接合强度。通过添加适当的惰性填料和活性填料，可以明显降低聚合物先驱体在转化为陶瓷的过程中产生的裂纹和孔隙等缺陷，得到具有良好接合强度的、无裂缝以及孔隙的、表面致密的陶瓷涂层。本专利技术所用的聚硅氮烷是一种在主链上硅原子和氮原子相间成键的聚合,。其结构单元一般为:<formula>formula see original document page 6</formula>式中n， m为聚合度。聚硅氮烷经高温裂解后可以转化为SiC/Si3N4复相陶瓷，其本身就具有优良的耐热性、绝缘性和导热性，在加入导热陶瓷填料之后，由其制得的陶瓷涂层的导热系数(>30W/m.K)远高于含有导热填料的聚合物涂层的导热系数(1. l 2.2W/m.K)。本专利技术中以聚硅氮垸为先驱体制备绝缘导热陶瓷涂层的方法，以重量计算按如下歩骤进行1 )在100份聚硅氮垸中，加入事先用硅烷偶联剂处理过的氮化铝填料10 30份、氮化钽填料0 10份、氮化硼填料0 10份、氮化硅填料0 10份、碳化硅填料10 30份、碳化硼填料0 10份，硅粉0 10份、硼粉0 5份。然后加入芳烃溶剂或酯溶剂10 100份，搅拌分散后，使用辊式研磨机研磨，得到填料粒径在0. 01 10微米之间的均匀的浆料；2) 基底材料一般选用铜、铝、钼铜合金、铝/碳化硅合金、石墨等，采用机械或者电化学方法对基底材料表面进行预处理，得到清洁、干燥、平整的工件表面。然后用刷涂或喷涂的方式将浆料涂装在处理过的基底材料表面；3) 将带有涂层的基底材料在10(TC 30(rC下真空热处理1 2个小时，除去涂层浆料中的溶剂，并使聚硅氮垸发生交联反应；4) 在保护气氛下，对处理后的材料进行高温处理，即在400°C 1000°C的温度之间处理1 5个小时，之后缓慢降温，得到基底材料上的陶瓷涂层。所述保护气氛，是指氮气、氨气或者惰性气体。本专利技术所用的聚硅氧烷是一种在主链上含有硅原子和氧原子的聚合物。以甲基倍半硅氧垸(PS(U)为例，其结构单元可表示为式中Rl和R2为烷基或苯基，n为聚合度。从上式可看出，PS0,V2分子中Si: 0=1: 1.5。聚硅氧垸在一定温度下发生裂解转化为性能优良的SiOC无定形陶瓷，且陶瓷产率高，是低成本制造高性能陶瓷材料的理想先驱体。本专利技术中以聚硅氧垸为先驱体制备绝缘导热陶瓷涂层的方法，以重量计算按如下步骤进行1 )在100份聚硅氧烷中，加入事先用硅垸偶联剂处理过的氧化铝填料10 20份、碳化硅填料10 30份、碳化硼填料10 30份、二氧化硅填料0 20份，AL粉0 10份、硅粉0 5份。然后加入芳烃溶剂或酯溶剂10 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由聚合物先驱体制备绝缘导热陶瓷涂层的方法，其特征在于，以重量计算按如下步骤进行：　ａ）在１００份聚合物先驱体中，加入用硅烷偶联剂处理过的氮化物陶瓷填料０～５０份、碳化物陶瓷填料０～４０份、氧化物填料０～３０份，以及活性填料０～１０ 份，同时加入１０～１００份的溶剂以调节粘度。搅拌分散后，使用辊式研磨机研磨，得到填料粒径在０．０１μｍ～１０μｍ之间的均匀的浆料；　ｂ）基底材料一般选用铜、铝、钼铜合金、铝／碳化硅合金、石墨等，采用机械或者电化学方法对基底材料表面进行 预处理，得到清洁、干燥、平整的工件表面。然后用刷涂或喷涂的方式将浆料涂装在处理过的基底材料表面；　ｃ）将带有涂层的基底材料在１００℃～３００℃下真空热处理１～２个小时，除去涂层浆料中的溶剂，并使聚硅氮烷发生交联反应；　ｄ）在保护 气氛下，对处理后的材料进行高温处理，即在４００℃～１０００℃的温度之间处理１～５个小时，之后缓慢降至室温，得到基底材料上的陶瓷涂层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张听，刘洪丽，
申请(专利权)人：北京盘天新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：11[]