[发明专利]一种氮化铝基玻璃陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化铝基玻璃陶瓷及其制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

随着现代微电子技术的革新和发展，电子器件正朝着高集成化、微型化、模块化、高可靠性以及低成本的方向发展。越来越复杂的电子器件对封装基板材料的综合性能提出了更高要求，要求其具有较高的导热性能、合适的热膨胀系数，以及较低的介电常数和介电损耗。同时由于金属电极的熔点较低（Cu为1083℃，Ag为961℃），在电子器件制备过程中，为使基板能与金属电极（如Cu或Ag）共烧，要求基板材料具有较低的烧结温度。

Al₂O₃基玻璃陶瓷体系是目前发展较为成熟的电子基板材料，其烧结温度可低至800-900℃，能实现与金属电极的共烧，但是其热导率普遍不高，仅为2-4W/(m·K)。如DuPont公司951系列硼硅酸铅/Al₂O₃基板，其烧结温度为900℃左右，但热导率仅为3.0W/(m·K)左右。因此，如何制备获得烧结温度低于900℃，以达到与金属电极共烧的目的，同时导热性能等综合性能更佳的基板材料，是当今电子器件向高集成化和模块化发展的关键。

AlN陶瓷具有高的热导率、与硅相匹配的热膨胀系数、低的介电常数、良好的绝缘性及环保无毒等优点，是当今最理想的电子器件基板材料，然而纯AlN陶瓷高达1900℃的烧结温度严重限制了其推广和应用。为了充分利用氮化铝良好的热传导性能，同时又避免其高的烧结温度，一些研究者通过在氮化铝粉体中添加适量玻璃粉体，在较低烧结温度下制备获得热导率较高的氮化铝基玻璃-陶瓷复合材料。如（J Mater Pro Techno, 1999, 89, 497-500）和（J Mater Sci, 2000, 16, 4137-4141）在AlN粉体中添加适量堇青石玻璃粉，1200℃热压烧结得到致密结构的AlN/玻璃，热导率为4.4W/(m·K)；（材料研究学报, 2003, 17, 79-82）在950℃热压烧结得到了AlN/SiO₂-B₂O₃-ZnO-Bi₂O₃复合材料，热导率为5.1-9.3W/(m·K)；（电子元件与材料, 2008, 27, 58-61）以硼硅酸铅玻璃粉作为添加剂，在900℃热压烧结获得了热导率高于10W/(m·K)的玻璃-陶瓷复合材料。从目前国内外研究结果可知，以氮化铝粉体和玻璃粉体为原料，可以在较低温度下通过热压烧结获得热导率大于5.0W/(m·K)的氮化铝基玻璃陶瓷复合材料，相比于氧化铝基玻璃陶瓷的热导率有了较大程度的提高。然而，上述研究中所采用的热压烧结工艺复杂、制备成本较高，且烧结温度也仅能降低至900-950℃；由于氮化铝在高于850℃的氧化气氛下会转变成氧化铝，因此必须得在保护气氛中进行烧结，由此又增加了制备成本。此外，部分研究者选用了对环境有毒的含铅玻璃，也限制了氮化铝基玻璃陶瓷的工业应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能在800℃以下的空气中常压烧结、并具有良好热导率的氮化铝基玻璃陶瓷及其制备方法。

本发明的氮化铝基玻璃陶瓷，其重量份数组成为：

氮化铝                30～50份

氧化钙                8～12份

三氧化二硼            7～11份

二氧化硅              17～24份

氧化锌                1～2份

氧化镁                13～18份

二氧化锆              1～2份。

本发明提出的制备氮化铝基玻璃陶瓷的方法，包括以下步骤：

(1)称取氧化钙8～12份、三氧化二硼3～5份、二氧化硅7～10份、氧化锌1～2份，混合均匀后放入氧化铝坩埚中，在1200℃～1300℃保温30分钟熔融，将熔融的玻璃液直接倒入冷水中，取出干燥后研磨至粒径为1～5μm，获得CBSZ玻璃粉体；

(2)称取氧化镁13～18份、三氧化二硼4～6份、二氧化硅10～14份、二氧化锆1～2份，混合均匀后放入氧化铝坩埚中，在1250℃～1350℃保温30分钟熔融，将熔融的玻璃液直接倒入冷水中，取出干燥后研磨至粒径为1～5μm，获得MBSZ玻璃粉体；