[发明专利]一种颗粒弥散增韧氮化铝陶瓷基板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化物陶瓷的领域，更具体地，涉及一种颗粒弥散增韧、高导热、优良电性能的氮化铝陶瓷基板及其制备方法。

背景技术

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、LED照明及IGBT领域理想的封装材料。

AlN的研究主要侧重于导热性能的提高，一般采用稀土金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氟化物、碱土金属氟化物及其复合配方作为烧结助剂以获高热导率的烧结体。此外还通过烧结后退火、延长保温时间等烧结工艺的控制增加AlN晶粒间的接触面积以极大的提高热导率。但是上述提高热导率的方法均会导致晶粒的长大，最终影响到陶瓷基体的力学性能。

采用颗粒弥散增韧方法来提高AlN陶瓷的机械性能是一种有效手段，但没有添加烧结助剂时，AlN陶瓷很难烧结致密，导致热导率极低，当添加了烧结助剂，同时又添加增韧颗粒时，通常都影响其电学性能如介电常数、介质损耗，很难获得综合性能优良的AlN陶瓷。满足不了作为LED、IGBT模块封装基板的应用。例如，美国专利U.S4961987公开了一种以W、Mo作为添加剂来制备AlN陶瓷的技术方案，并具体公开了W、Mo金属第二相对AlN热导率、电性能及AlN表面金属化产生的影响。该AlN陶瓷是在1500℃-2000℃，N₂气氛保护下烧结，其相对致密度超过81%，采用此方法制备的AlN陶瓷存在致密差，热导率低的问题，综合性能满足不了高功率LED、IGBT模块对AlN陶瓷封装基板的要求，而且该专利没有公开W、Mo颗粒对基体力学性能的影响。

现有的AlN陶瓷基板制备一般是只添加烧结助剂和氮化铝粉一起混合，然后经成型工艺如干压成型或流延成型，再烧结而成，采用这种方法制备的AlN陶瓷基板具有热导率高，电学性能好的特点，但其却存在机械性能较差，如断裂韧性，抗弯强度较低及热震性较差。随着高功率电子封装行业的发展，电子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，故对其封装基板的要求也越来越高，那么制备一种综合性能优良的基板是非常有必要。

发明内容

为了克服现有AlN陶瓷基板综合性能的不足，本发明提供一种综合性能优良的颗粒弥散增韧AlN陶瓷基板，该AlN陶瓷基板的热导率高、力学性能好、高致密度、且具有优良电性能。

为了实现上述目的，其技术方案为：

一种颗粒弥散增韧氮化铝陶瓷基板，所述陶瓷基板含有如下重量百分数的各组分：

80%-95%的AlN粉体；2%-8%的烧结助剂；3%-12%的增韧相；其中，所述烧结助剂为稀土金属氧化物、弱碱氧化物、稀土氟化物或弱碱氟化物中的任意一种或任意几种的复合，所述增韧相为金属颗粒和/或金属碳化物颗粒。

该增韧相是具有高熔点、高硬度、高弹性模量，且热膨胀系数介于4×10^-6/℃-8×10^-6/℃之间的金属颗粒或金属碳化物颗粒。通过裂纹偏转弯曲、裂纹桥接以及残余应力的增韧机制，有效提高AlN陶瓷基板的断裂韧性。而添加的增韧相和氮化铝基体的化学相容性好，所以能同时满足高热导率及优良的电学性能，使得氮化铝的综合性能得以提高，从而能够显著提高氮化铝陶瓷基板的综合性能。

优选的，所述AlN粉体的氧含量为0.5-1.5wt.%，D50（中位径）粒径为0.5-5um、且呈锐利单峰分布。

优选的，所述的烧结助剂纯度大于99.99%，D50粒径为0.5-5um。

优选的，所述的稀土金属氧化物为Y₂O₃、Sm₂O₃、 Dy₂O₃、Yb₂O₃中任意的一种或任意几种的复合；

所述的弱碱氧化物为CaO、Li₂O、BaO中的一种或任意几种的复合；

所述的稀土金属氟化物为YF₃、DyF₃、YbF₃中的一种或任意几种的复合；

所述的弱碱金属氟化物为CaF₂。

优选的，所述的增韧相为Mo、W、Nb、MoC、WC、NbC中的任意一种或任意几种的复合，其中以添加Mo、W颗粒为最佳。