一种氮化铝基板及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及氮化物陶瓷技术领域，尤其是一种氮化铝基板及其制备方法与应用。

背景技术：

2.氮化铝(aln)陶瓷材料具有高热导率、低介电常数、低介质损耗、优良绝缘性能、耐腐蚀及与硅相匹配的热膨胀系数等特性，是高功率密度电路、绝缘栅双极型晶体管(igbt)领域理想的封装材料。
3.aln基板的研究重点是提高导热性能和强度。一般采用稀土金属氧化物、碱土金属氧化物等作为烧结助剂，经干压或流延等工艺成型，并结合适当的烧结工艺得到具有一定热学、力学性能的陶瓷基体，但目前氮化铝基板制备原料中的氧含量杂质较高，烧结过程容易生成yag物相残留在基板内部，影响基板热导率，现有的制备方法得到的ain陶瓷基板热导率仅满足170w/(m
·
k)以上，限制了其在高热导率领域的应用。随着大功率封装产品的应用领域越来越广泛，其应用环境也越来越复杂，对氮化铝基板的热导率要求也越来越高，那么制备一种具有更高热导率的基板是非常有必要的。

技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种氮化铝基板及其制备方法与应用。本发明提供了一种氮化铝基板，利用无机碳源反应纯化氮化铝晶格中氧杂质的方法，达到提高氮化铝基板热导率的目的，可有效提升氮化铝基板的热导率性能。
5.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种氮化铝基板，包括以下重量份的组分：氮化铝100份、氧化钇为2-6份、氟化钙0-3份、无机碳源0.05-0.3份；其中，所述无机碳源的比表面积为40-100m2/g。
6.本发明利用无机碳源反应纯化氮化铝晶格中氧杂质的方法，达到提高氮化铝基板热导率的目的，可有效提升氮化铝基板的热导率性能和抗弯强度，满足高热导率领域的应用需求。
7.传统技术仅通过添加烧结助剂的方式，使其与粉体原晶中的氧化铝结合形成铝酸盐，纯化氮化铝晶粒并达到提高热导率的目的，该方式对于原晶内部的氧杂质结合效率较慢，要使基板达到更高的热导率需要较长的烧结时间。而游离碳的还原性较强，碳可与原晶的氧化铝发生化学反应(c+al2o3+n2→
co+aln)，更有效的纯化氮化铝原晶，更有效地改善基板的热导率性能。本发明采用无机碳源的目的除了可以让其去除氧杂质，同时也在控制钇铝石榴石中yag相向yam、yal物相转变，减少yag相。其中，yag为y3al5o
12
，yam为y4al2o9，yal为yalo3。本发明工艺下烧结成瓷后的烧结体中第一晶粒为yam相，且可控制其含量在0-3wt％。yam占比受石墨粉的加入量和烧结温度影响，钇铝石榴石有三种物相，yag相多了会残留在晶界及晶粒内部，降低基板热导率，yam相与氮化铝晶粒的浸润性要差，一般存在于晶粒三角区中，对热导率的影响小于yag相。添加石墨粉是控制钇铝石榴石物相向yam相转
变，控制烧结温度是为了让基板致密化及晶粒长大的同时，将钇铝石榴石从基板内部排出，减少基板内部钇铝石榴石的残留量，从而提高基板的热导率。
8.发明人经过大量实验探究后发现，无机碳源的比表面积会影响最终制备得到的氮化铝基板的热导率和强度。当无机碳源的比表面积小于40m2/g时，反应活性偏低，烧结过程中碳与氧杂质的反应不能充分进行，影响基板的热导率和强度；当无机碳源的比表面积大于100m2/g时，不利于无机碳源的混料均匀性，从而会影响最终制备得到的氮化铝基板的热导率和强度。
9.优选地，所述无机碳源的重量份为0.1-0.25份。
10.发明人经过大量实验探究后发现，无机碳源的重量份会影响最终制备得到的氮化铝基板的热导率和强度。当无机碳源的重量份为0.1-0.25份，制备得到的氮化铝基板的热导率和强度更佳。无机碳源加入量过高时，坯体中的碳残留含量过高，根据sem，氮化铝坯体中的氧化铝被还原过多，剩余的氧化铝残留量无法满足烧结助剂形成铝酸盐的需求量，影响基板的烧结致密度。无机碳源加入量过低时，碳残留含量过少，原晶中氧杂质的去除量较少，导致较多的氧杂质仍残留在基板中，影响产品的热导率性能。
11.优选地，所述无机碳源的比表面积为50-80m2/g。
12.发明人经过大量实验探究后发现，无机碳源的比表面积会影响最终制备得到的氮化铝基板的热导率和强度。当无机碳源的比表面积为50-80m2/g，制备得到的氮化铝基板的热导率和强度更佳。
13.优选地，所述氮化铝的平均粒径为4-10um；所述无机碳源为活性炭、石墨、炭黑中的至少一种。
14.此外，本发明提供了一种所述的氮化铝基板的制备方法，包括如下步骤：
15.s1：按照所述配比称量氮化铝、氧化钇、氟化钙、无机碳源，加入分散剂和溶剂混合均匀，采用流延成型工艺得到氮化铝膜片；
16.s2：将所述s1中的氮化铝膜片排胶、烧结、保温，得到所述氮化铝基板。
17.本发明得到的氮化铝基板中氮化铝晶粒尺寸d50为4-10μm；优选地，氮化铝基板中氮化铝晶粒尺寸d50为6-9μm。氮化铝晶粒尺寸采用se-fem进行内部形貌拍摄，然后再用nano measurer粒径分布软件进行计算。
18.优选地，所述s1中，分散剂为聚乙烯醇缩丁醛分散剂、聚丙烯分散剂、甘油分散剂中的至少一种；溶剂为甲苯、异丙醇中的至少一种。
19.优选地，所述s2中，排胶的温度为400-600℃，排胶的时间为3-7h；烧结的温度为1740-1900℃，烧结氮气气氛下进行，保温的时间为5-15h。
20.本发明排胶过程的参数可以控制生坯中的无机碳源不被氧化，采用本发明特定的烧结方式，使无机碳源充分与坯体中的氧化铝反应，达到纯化氮化铝晶格的目的，将基板内部的第二相析出。
21.优选地，所述s2中，烧结的温度为1780-1850℃，保温的时间为10-15h。
22.发明人在实际实验过程发现，随着烧结温度的升高，基板内部晶粒不断长大并纯化，同时使yag相向yap、yam相转变并析出；保温时间越长，基板内部晶粒越大，并使钇铝石榴石析出至基板表面，减少其在内部的残留。但同时随着晶粒的不断增大，基板强度会出现下降的趋势，因此烧结温度过高或保温时间过长都不利于基板的整体性能平衡。
23.进一步地，本发明提供了采用上述的氮化铝基板的制备方法制备得到的氮化铝基板。
24.另外，本发明提供了所述的氮化铝基板在高功率密度电路、绝缘栅双极型晶体管领域中的应用。具体地，本发明提供了所述的氮化铝基板在高热导率领域中的应用。
25.相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明利用无机碳源反应纯化氮化铝晶格中氧杂质的方法，达到提高氮化铝基板热导率的目的，可有效提升氮化铝基板的热导率性能和抗弯强度。
附图说明
26.图1为对比例1制备得到氮化铝基板的sem图；
27.图2为对比例2制备得到氮化铝基板的sem图；
28.图3为实施例4制备得到的氮化铝基板的sem图；
29.图4为实施例17制备得到的氮化铝基板的sem图。
具体实施方式
30.为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
31.实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。现对实施例及对比例所用原料做如下说明，但不限于这些材料：
32.无机碳源1：橡胶炭黑，纯度为99.99％，比表面积30m2/g，厂家卡博特，牌号bp7；
33.无机碳源2：素炭黑，纯度为99.99％，比表面积40m2/g，厂家三菱，牌号ma220；
34.无机碳源3：素炭黑，纯度为99.99％，比表面积50m2/g，厂家三菱，牌号ma-14；
35.无机碳源4：素炭黑，纯度为99.99％，比表面积70m2/g，厂家卡博特，牌号regal 99r；
36.无机碳源5：素炭黑，纯度为99.99％，比表面积80m2/g，厂家卡博特，牌号dl430；
37.无机碳源6：素炭黑，纯度为99.99％，比表面积100m2/g，厂家卡博特，牌号bp900；
38.无机碳源7：炉法炭黑，纯度为99.99％，比表面积120m2/g，厂家卡博特，牌号bp2000；
39.氮化铝：自制氮化铝粉体，纯度为99.99％，比表面积2.0-2.6m2/g，氧含量＜1.0％。
40.实施例1-12和对比例1-4
41.本发明实施例1-12和对比例1-4的一种氮化铝基板，实施例1-12和对比例1-4所述氮化铝基板的组分及重量份选择如表1所示，实施例1-12和对比例1-4所述氮化铝基板的制备方法，包括如下步骤：
42.s1：按照所述配比称量氮化铝、y2o3、caf2、石墨粉，加入0.1份akm0531分散剂和甲苯40份、异丙醇10份后，球磨混合均匀，采用流延成型工艺得到氮化铝膜片；
43.s2：将所述s1中的氮化铝膜片排胶、烧结、保温，其中，排胶的温度为500℃，排胶的
时间为6h；烧结的温度为1810℃，烧结氮气气氛下进行，保温的时间为10h，得到所述氮化铝基板。
44.本发明实施例13-18与实施例4进行单独对比，实施例13-18的组分选择与实施例4完全相同，仅所述氮化铝基板的制备方法中s2排胶、烧结、保温的温度和时间不同，实施例13-18制备过程的具体选择如下表2所示。
45.表1
[0046][0047][0048]
表2
[0049][0050]
性能测试
[0051]
热导率：采用瞬态平面热源法测试，样品尺寸120*120*0.38mm，测试设备：hot disk热常数分析仪tps2500s型；本发明氮化铝基板的热导率≥200w/(m
·
k)符合要求。
[0052]
抗弯强度：三点抗弯测试，跨距30mm，加载速率0.05mm/min，测试样品尺寸：40*24*0.38mm；测试设备：万能材料试验机instron；本发明氮化铝基板的抗弯强度≥350mpa符合要求。
[0053]
试验结果：如表3和图1-4所示。
[0054]
表3
[0055]
[0056][0057]
由实施例1-6及对比例1-2对比可知，随着无机碳源添加量的增加，基板的热导率呈现先上升后下降的趋势。当碳添加过量时，粉体中的氧杂质被碳中和太多，导致氧残留较少，无法生成足够的yag相，导致基板烧结无法完成致密化，热导率偏低。当无机碳源的重量份为0.1-0.25份时，强度和热导率较佳。
[0058]
由实施例9-12、实施例4、对比例3-4对比可知，无机碳源的比表面积为50-80m2/g时，强度和热导率较佳。
[0059]
由实施例13-20对比可知，烧结温度低于1740℃时，温度过低时基板无法烧结致密化。烧结温度高于1900℃时，基板晶粒尺寸不断增大，热导率提升，基板强度性能下降。
[0060]
图1为对比例1制备得到氮化铝基板的sem图，未添加无机碳源；图2为对比例2制备得到氮化铝基板的sem图，无机碳源添加过量，导致生坯中氧流失过多，无法得到足够的钇铝石榴石促进烧结，基板中存在气孔。图3为实施例4制备得到的氮化铝基板的sem图，基板晶粒长大，尺寸增大，钇铝石榴石内部残留减少；图4为实施例17制备得到的氮化铝基板的sem图，烧结温度偏低，基板晶粒尺寸较小且钇铝石榴石残留较多，同时部分位置存在未致密的情况。
[0061]
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当
理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：

1.一种氮化铝基板，其特征在于，包括以下重量份的组分：氮化铝100份、氧化钇为2-6份、氟化钙0-3份、无机碳源0.05-0.3份；其中，所述无机碳源的比表面积为40-100m2/g。2.如权利要求1所述的氮化铝基板，其特征在于，所述无机碳源的重量份为0.1-0.25份。3.如权利要求1所述的氮化铝基板，其特征在于，所述无机碳源的比表面积为50-80m2/g。4.如权利要求1所述的氮化铝基板，其特征在于，所述氮化铝的平均粒径为4-10um；所述无机碳源为活性炭、石墨、炭黑中的至少一种。5.一种如权利要求1-4任一项所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：按照所述配比称量氮化铝、氧化钇、氟化钙、无机碳源，加入分散剂和溶剂混合均匀，采用流延成型工艺得到氮化铝膜片；s2：将所述s1中的氮化铝膜片排胶、烧结、保温，得到所述氮化铝基板。6.如权利要求5所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述s1中，分散剂为聚乙烯醇缩丁醛分散剂、聚丙烯分散剂、甘油分散剂中的至少一种；溶剂为甲苯、异丙醇中的至少一种。7.如权利要求5所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述s2中，排胶的温度为400-600℃，排胶的时间为3-7h；烧结的温度为1740-1900℃，保温的时间为5-15h。8.如权利要求6所述的氮化铝基板的制备方法，其特征在于，所述s2中，烧结的温度为1780-1850℃，保温的时间为10-15h。9.一种如权利要求5-8任一项所述的氮化铝基板的制备方法制备得到的氮化铝基板。10.一种如权利要求9所述的氮化铝基板在高功率密度电路、绝缘栅双极型晶体管领域中的应用。

技术总结

本发明公开了一种氮化铝基板及其制备方法与应用，涉及氮化物陶瓷技术领域。本发明提供了一种氮化铝基板，包括以下重量份的组分：氮化铝100份、烧结助剂2-9份、无机碳源0.05-0.3份；其中，所述无机碳源的比表面积为40-100m2/g。本发明利用无机碳源反应纯化氮化铝晶格中氧杂质的方法，达到提高氮化铝基板热导率的目的，可有效提升氮化铝基板的热导率性能。能。能。