一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，涉及微電子封裝領(lǐng)域，尤其涉及AlN陶瓷助燒劑添加及低溫?zé)Y(jié)新技術(shù)。其選用高純度的AlN粉體，添加無(wú)水硝酸釔和無(wú)水硝酸鈣為助燒劑，加入有機(jī)溶劑，濕法混料；干燥后，將混合粉在640-680℃下進(jìn)行煅燒，再加入成形劑，混合均勻后，經(jīng)壓制成型，在1600-1800℃下燒結(jié)，制得AlN陶瓷。本發(fā)明以無(wú)水硝酸鹽的形式添加燒結(jié)助劑，不僅能有效改善AlN陶瓷中助燒劑的成分均勻性和分布均勻性，而且助燒劑粉體粒徑細(xì)小，活性高，有助于降低AlN陶瓷燒結(jié)溫度。本發(fā)明制備的AlN陶瓷結(jié)構(gòu)致密，晶粒細(xì)小而均勻，力學(xué)性能和熱學(xué)性能優(yōu)良。
【專利說(shuō)明】—種微電子封裝用AIN陶瓷基板的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明技術(shù)涉及微電子封裝材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種性能優(yōu)良的微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，其主要用于電子封裝陶瓷。
[0002]【背景技術(shù)】:
隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子系統(tǒng)集成度的提高導(dǎo)致功率密度提高，以及電子元件和系統(tǒng)整體工作產(chǎn)生的熱量增加，然而傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷基板材料已經(jīng)難以滿足電子封裝工業(yè)日益提高的使用要求。
[0003]AlN陶瓷具有熱導(dǎo)率高、無(wú)毒、無(wú)害、電絕緣性能好、介質(zhì)損耗低、熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體硅材料匹配等性能優(yōu)點(diǎn)，可保證電子元件不因熱效應(yīng)而失效，可進(jìn)行多層布線，實(shí)現(xiàn)封裝的高密度和小型化，廣泛應(yīng)用于電子、冶金、機(jī)械、軍工等諸多領(lǐng)域，AlN陶瓷是近年來(lái)受到普遍關(guān)注的新一代先進(jìn)陶瓷材料。
[0004]AlN屬于化合物，自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)致密化困難，通常需要加入一定量的燒結(jié)助劑來(lái)促進(jìn)燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)助劑與AlN表面的氧化鋁形成液相，通過(guò)液相燒結(jié)機(jī)制完成AlN陶瓷的致密化。其中，具有代表性的燒結(jié)助劑是含鈣化合物和含釔化合物，其中，Y203、CaO及兩者的混合物是 典型的燒結(jié)助劑類型，也是AlN陶瓷燒結(jié)最常采用的助燒劑體系。通常，采用該種助燒劑時(shí)，AlN陶瓷的燒結(jié)溫度在1800°C以上Α1Ν。燒結(jié)溫度高，不僅耗能高，產(chǎn)品變形嚴(yán)重，合格率低，生產(chǎn)設(shè)備損耗嚴(yán)重，而且難以實(shí)現(xiàn)AlN與金屬漿料的共同燒結(jié)等。另外，AlN表層的氧在高溫下會(huì)向晶格內(nèi)部擴(kuò)散，對(duì)AlN陶瓷的熱導(dǎo)率的提升是不利的。降低AlN陶瓷的燒結(jié)溫度是電子封裝用AlN陶瓷研制和生產(chǎn)的發(fā)展方向之一。
[0005]燒結(jié)AlN陶瓷通常添加稀土氧化合物或堿土氧化物做燒結(jié)助劑，如CaO、Y2O3>Sm2O3^Dy2O3等，以各組元氧化物的粉體直接添加至AlN粉體中，存在各組元氧化物粉在AlN粉體中混合不均勻，局部發(fā)生偏聚或缺失，燒結(jié)時(shí)易因助燒劑分布不均導(dǎo)致AlN陶瓷局部欠燒或過(guò)燒現(xiàn)象的發(fā)生，，形成氣孔、晶粒過(guò)分粗大、助燒劑在AlN晶間連續(xù)分布等結(jié)構(gòu)缺陷，降低AlN陶瓷的性能。
[0006]根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)和專利報(bào)道，通常采用的制備方法為燒結(jié)助劑和AlN粉體直接通過(guò)球磨混料，通過(guò)這種方式添加，不可避免地產(chǎn)生氣孔、燒結(jié)不完全、晶粒尺寸不均勻、第二相聚集等缺陷，甚至出現(xiàn)基板卷曲、開(kāi)裂，都會(huì)大幅度降低AlN陶瓷的熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度。
[0007]針對(duì)上述現(xiàn)有AlN陶瓷制備工藝的不足之處，本發(fā)明設(shè)計(jì)了“一種AlN電子封裝基板的制備方法”。
[0008]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有AlN陶瓷制備工藝的不足所要解決的技術(shù)中燒結(jié)助劑組元在AlN陶瓷中成分均勻性及分布均勻性差而產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)與性能缺陷的問(wèn)題，以及燒結(jié)溫度過(guò)高帶來(lái)的不良影響，發(fā)明了一種陶瓷基板的制備工藝，燒結(jié)助劑中各組元成分均勻，助燒劑在AlN陶瓷中分布均勻，且能在較低燒結(jié)溫度下實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷的液相燒結(jié)，細(xì)化AlN晶粒，制備性能優(yōu)良的AlN陶瓷電子封裝材料。[0009]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，其特征在于，先將含水硝酸鹽在260-280°C脫水處理20-30min，去除硝酸鹽中的結(jié)晶水后，然后將無(wú)水硝酸鹽燒結(jié)助劑在無(wú)水乙醇試劑中球磨分散1-1.5h,再添加粒徑為1-1.5 μ m、比表面積為3.0m2/g的AlN粉體，濕法球磨2-3h，制成漿料；漿料在120-140°C干燥1-2h，過(guò)60-80目篩后，放入馬弗爐中，在空氣氣氛中、640-680°C溫度下煅燒20-30min，煅燒后的粉體過(guò)60-80目篩，再添加成形劑，在90-100°C水浴鍋內(nèi)均勻加熱，每2-3 min攪拌一次，共水浴50-60 min ;待冷卻到室溫后再過(guò)60-80目篩，混合粉采用單向壓制方式成形，580-600°C保溫20-30min，排膠，最后燒結(jié)，隨爐冷卻得到高熱導(dǎo)率AlN陶瓷基板。
[0010]所述的含水硝酸鹽選自商用六水硝酸釔、四水硝酸鈣中的一種或兩種，其質(zhì)量為AlN 粉體的 15-20%。
[0011]所述的無(wú)水乙醇與無(wú)水硝酸鹽的重量比為4-5:1。
[0012]所述的成形劑為固體石蠟，其質(zhì)量為AlN粉體的8-12%。
[0013]所述的壓制成形壓力為65-70 MPa，保壓4_7s。
[0014]所述的燒結(jié)是在N2保護(hù)氣氛中進(jìn)行，升溫速率8 -1O0C /min，燒結(jié)溫度1600-1800°C，保溫 3-5 h。
[0015]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
(I)因?yàn)橄跛猁}易溶于酒精，形成均勻的溶液，溶于酒精中的助燒劑可保證助硝酸鹽中各離子按設(shè)定的成分均勻混合并均勻地分布在AlN粉體周圍，該技術(shù)保證了多元燒結(jié)助劑的組元間成分均勻性及燒結(jié)助劑與AlN粉體混合的均勻性，克服了直接添加助燒劑氧化物粉體時(shí)成分及分布不均勻的現(xiàn)象。
[0016](2)煅燒后原位生成的助燒劑氧化物顆粒度小，比表面積大，活性高，成分均勻且在AlN粉體中分布均勻，在燒結(jié)過(guò)程中，可按預(yù)設(shè)的成分比例形成液相，有利于AlN陶瓷均勻致密化，降低燒結(jié)溫度，制備的AlN陶瓷晶粒尺寸均勻，第二相分布均勻且位于AlN晶粒的三叉晶界，力學(xué)性能和熱學(xué)性能優(yōu)良。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1燒結(jié)后的顯微形貌照片。
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2燒結(jié)后的顯微形貌照片。
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3燒結(jié)后的顯微形貌照片。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
首先選用粒徑為1.2 μ m、比表面積為3.0 m2/g的高純度AlN粉，含氧量為1.2 wt%,各成分量為:A1N 192.0 g、Y (NO3) 3.6H20 13.56g, Ca (NO3)2.4H20 16.84 g ；
制作工藝:首先含水 硝酸鹽在270°C保溫30min，經(jīng)過(guò)脫水處理，去除硝酸鹽中的結(jié)晶水后，將無(wú)水硝酸鹽和100g酒精放入球磨罐中，球磨磨60 min，再加入192.0gAlN粉體，球磨ISOmin后。在120°C恒溫干燥箱內(nèi)干燥2h，過(guò)60目篩；使用馬弗爐，將混合粉在670°C下保溫30min進(jìn)行煅燒，煅燒后的粉體過(guò)60目篩，添加18.5 g固體石蠟，在100°C水浴鍋內(nèi)均勻加熱，每3 min攪拌一次，共水浴60 min ;待冷卻到室溫后再過(guò)60目篩，混合粉采用單向壓制方式，成形壓力為66.4 MPa、保壓5 s,壓制成直徑為48.6 mm,厚度為2.9 mm的圓片；將該圓片在排膠爐中580 °C保溫30min排膠，然后放在真空碳管爐中，在N2保護(hù)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)。具體的燒結(jié)工藝為:升溫速率8°C/min，燒結(jié)溫度1700°C，保溫4h，然后隨爐冷卻。
[0021]制備的AlN陶瓷的性能:熱導(dǎo)率為143 W. ，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為331MPa。
[0022]實(shí)施例2
本實(shí)施例的制備方法同實(shí)施例1，不同的是煅燒溫度為640°C，燒結(jié)溫度為1650°C。
[0023]制備的AlN陶瓷的性能:熱導(dǎo)率為114 W.π 1. ，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為317 MPa。
[0024]實(shí)施例3
本實(shí)施例的制備方法同實(shí)施例1，不同的是煅燒溫度為680°C，燒結(jié)溫度為1800 °C。
[0025]制備的AlN陶瓷的性能:熱導(dǎo)率為109W.π 1.K—1，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為328 MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，其特征在于，先將含水硝酸鹽在260-280°C脫水處理20-30min，去除硝酸鹽中的結(jié)晶水后，然后將無(wú)水硝酸鹽燒結(jié)助劑在無(wú)水乙醇試劑中球磨分散1-1.5h,再添加粒徑為1-1.5 μ m、比表面積為3.0m2/g的AlN粉體，濕法球磨2-3h，制成漿料；漿料在120-140°C干燥1-2h，過(guò)60-80目篩后，放入馬弗爐中，在空氣氣氛中、640-680°C溫度下煅燒20-30min，煅燒后的粉體過(guò)60-80目篩，再添加成形劑，在90-100°C水浴鍋內(nèi)均勻加熱，每2-3 min攪拌一次，共水浴50-60 min ;待冷卻到室溫后再過(guò)60-80目篩，混合粉采用單向壓制方式成形，580-600°C保溫20-30min，排膠，最后燒結(jié)，隨爐冷卻得到高熱導(dǎo)率AlN陶瓷基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，其特征在于，所述的含水硝酸鹽選自商用六水硝酸釔、四水硝酸鈣中的一種或兩種，其質(zhì)量為AlN粉體的I5-20%ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，其特征在于，所述的無(wú)水乙醇與無(wú)水硝酸鹽的重量比為4-5:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，其特征在于，所述的成形劑為固體石蠟，其質(zhì)量為AlN粉體的8-12%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，其特征在于，所述的壓制成形壓力為65-70 MPa，保壓4_7s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電子封裝用AlN陶瓷基板的制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)是在N2保護(hù)氣氛中進(jìn)行，升溫速率8 -10°C/min，燒結(jié)溫度1600 -1800°C，保溫3-5 ho
【文檔編號(hào)】C04B35/58GK103539457SQ201310454486
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】湯文明, 崔嵩, 張 浩, 郭軍, 劉俊永, 耿春磊, 吳玉彪, 詹俊, 李建青 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué), 華東微電子技術(shù)研究所合肥圣達(dá)實(shí)業(yè)公司