一種金屬陶瓷復(fù)合基板及其制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱復(fù)合陶瓷基板，屬于電子封裝材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]散熱基板是電子封裝中的重要基礎(chǔ)支撐部件，目前常用的散熱基板材料包括PCB、娃、金屬(如招，銅)、陶瓷(如Al2O3, AIN, SiC)和復(fù)合材料等。傳統(tǒng)使用的PCB板封裝基座的熱導(dǎo)率僅約為0.36W/mK，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大功率電子封裝基板的散熱要求。由于硅材料基板有加工困難、成本高的缺點，也很難滿足大功率電子封裝基板要求。單一金屬材料(主要是Al、Cu)基板由于其熱膨脹系數(shù)與芯片不匹配，比如鋁基板熱膨脹系數(shù)是LED芯片熱膨脹系數(shù)的5倍之多，這將使得大功率LED工作時，金屬基板與LED芯片的熱應(yīng)力太大，容易引起芯片斷裂失效，單一材料基板很多場合下無法滿足封裝的需求。陶瓷基板是一種理想的基板材料，其熱膨脹系數(shù)與硅芯片相匹配且具有較高的熱導(dǎo)率，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率模塊電路集成度不斷提高以及大功率LED的發(fā)展，陶瓷基板的市場需求越來越大。但高溫?zé)Y(jié)的陶瓷材料燒結(jié)困難、成本高；低溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷熱導(dǎo)率較低。
[0003]專利CN201110083293.0采用高壓熔滲法在750-1100 °C、20_50MPa下將熔融鋁合金填充多孔陶瓷坯體和模腔，凝固后得到選擇性增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，該方法制備的高導(dǎo)熱復(fù)合材料由于工藝復(fù)雜、壓鑄或壓滲工藝效率低，成本難以被工業(yè)界接受。專利CN201410755066.1提供了一種高SiC含量的電子封裝用SiC / Al復(fù)合材料的制備方法，該方法將SiC粉與Al粉混合，采用熱壓成型及半固態(tài)觸變處理工藝，雖然顯著改善了生產(chǎn)效率，可以批量生產(chǎn)，但半固態(tài)觸變處理工藝復(fù)雜，且陶瓷相在基板內(nèi)連接不連續(xù)Al金屬相與SiC相發(fā)生分離在基板內(nèi)分布不均勻，其熱膨脹性能沒有體現(xiàn)出陶瓷基板的優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于提供一種金屬陶瓷復(fù)合基板解決目前散熱基板熱匹配性不足或成本很難滿足大功率電子封裝基板要求等問題。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，采用如下的技術(shù)方案:一種金屬陶瓷復(fù)合基板，由陶瓷、玻璃和金屬三相組成，所述陶瓷相和所述玻璃相均勻混合分布構(gòu)成陶瓷基體；所述金屬相為金屬纖維熔融或半熔融后形成；所述金屬相互相熔接在一起，在所述陶瓷基體內(nèi)形成相互連接貫通的三維網(wǎng)絡(luò)散熱通道。
[0006]進(jìn)一步的，所述金屬陶瓷復(fù)合基板由體積百分比30~50%的陶瓷粉體、30~40%的低溫玻璃燒結(jié)助劑和10~40%的金屬纖維原料混合后燒結(jié)制備。
[0007]進(jìn)一步的，所述陶瓷的粉體為氧化鋁陶瓷、堇青石陶瓷、多元電子陶瓷中的一種或多種。
[0008]進(jìn)一步的，所述金屬纖維為高導(dǎo)熱金屬纖維，直徑為1~20 μπι，長徑比為5~25。如果太短形不成三維網(wǎng)絡(luò)，太長則混料困難。
[0009]進(jìn)一步的，所述金屬纖維為鋁及其合金纖維的一種或多種。這類金屬纖維高導(dǎo)熱且熔點相對比較低，低溫?zé)Y(jié)時易處于熔融與半熔融的狀態(tài)。
[0010]進(jìn)一步的，所述金屬纖維為銅及其合金纖維的一種或多種。這類金屬纖維高導(dǎo)熱且熔點相對比較低，低溫?zé)Y(jié)時易處于熔融與半熔融的狀態(tài)。
[0011]進(jìn)一步的，所述玻璃燒結(jié)助劑為ZnO-B2O3-S1^低熔點玻璃。
[0012]本發(fā)明的另一目的是提供了一種金屬陶瓷復(fù)合基板的制備工藝，以解決目前國內(nèi)散熱基板壓鑄或壓滲工藝效率低、金屬與陶瓷潤濕困難、金屬相在基板內(nèi)連接不連續(xù)等問題。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，采用如下的技術(shù)方案:一種金屬陶瓷復(fù)合基板的制備工藝，包括以下步驟:
步驟一，按體積百分比分別稱取的陶瓷粉體30~50份、低溫玻璃燒結(jié)助劑30~40份和金屬纖維10~40份，充分混合均勻成混合粉體；
步驟二，將步驟一所得混合粉體按照如下的質(zhì)量比例與其他添加劑混合、球磨以配制水基漿料:
水:12% ~ 15%，
混合粉體:50% ~ 70%，
粘結(jié)劑:9% ~ 30%，
增塑劑:5% ~ 6%，
分散劑:0.5% ~ 1%，
消泡劑:0.01% ~ 0.1%，
成膜助劑:0.05% ~ 0.5% ；
步驟三，將步驟二所得水基漿料真空脫泡處理；
步驟四，將步驟三所得楽料在流延機(jī)上流延成型；形成0.5~3mm厚的陶瓷生帶；步驟五，將陶瓷生帶按照要求切成一定大小，送入窯爐加熱排膠，升溫至500°C，保持lh，排膠后得到陶瓷坯片；
步驟六，將步驟五所得陶瓷坯片在氮氣或惰性氣體保護(hù)下，在所述金屬纖維熔點附近范圍內(nèi)低溫?zé)Y(jié)l~3h。
[0014]進(jìn)一步的，所述分散劑為三油酸甘油酯、所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛、所述增塑劑為聚乙二醇。
[0015]進(jìn)一步的，所述低溫?zé)Y(jié)的溫度為600~900°C。采用鋁及其合金纖維的一種或多種作為金屬纖維原料時，玻璃燒結(jié)助劑為熔點低于650°C的ZnO-B2O3-S12系燒結(jié)助劑，基板燒結(jié)溫度在600~700°C之間。采用銅及其合金纖維的一種或多種為金屬纖維原料時，玻璃燒結(jié)助劑為熔點低于800°C的ZnO-B2O3-S12系燒結(jié)助劑，基板燒結(jié)溫度在700~900°C之間。
[0016]通過在陶瓷原料中加入高導(dǎo)熱金屬纖維材料，先將包含金屬纖維的陶瓷原料流延成型為陶瓷生帶，通過添加玻璃燒結(jié)助劑使燒結(jié)溫度降低到金屬纖維熔點附近范圍內(nèi)，燒結(jié)過程中金屬纖維處于熔融與半熔融的狀態(tài)最后相互熔接在一起(金屬處于熔融狀態(tài)時的滲透性更好，金屬之間相互連接的機(jī)率更高)從而在整個陶瓷基板內(nèi)形成了相互連接貫通的三維網(wǎng)絡(luò)高速散熱通道，在保持高熱匹配性能的前提下，大大提高了基板的散熱能力。
[0017]本發(fā)明中采用流延工藝，方便金屬纖維在無外力干預(yù)條件下隨機(jī)排布，纖維分布自然，有利于金屬纖維在基板內(nèi)形成相互連接貫通的三維網(wǎng)絡(luò)。跟常用粉末壓力成型工藝相比效率更高，適于大批量生產(chǎn)(壓力成型時纖維容易擇優(yōu)取向，而不易成為三維網(wǎng)絡(luò))。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在陶瓷原料中加入高導(dǎo)熱金屬纖維材料，采用流延成型工藝制備陶瓷生帶，采用低溫?zé)Y(jié)工藝，燒結(jié)后金屬纖維發(fā)生部分或全部熔融，且相互熔接在一起，形成了金屬相在整個三維空間內(nèi)相互連接貫通的高速散熱通道。該工藝相比傳統(tǒng)的熔融金屬滲透多孔陶瓷制備的金屬陶瓷復(fù)合基板，在保持陶瓷低膨脹特性的同時，解決了壓鑄或壓滲工藝效率低、金屬與陶瓷潤濕困難、金屬相在基板內(nèi)連接不連續(xù)等問題，具有工藝簡單、散熱能力強(qiáng)、與芯片熱匹配性能好，適合大批量生產(chǎn)，可以應(yīng)用于大功率LED、高集成電路板等領(lǐng)域的散熱基板。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的金屬陶瓷復(fù)合基板生產(chǎn)工藝流程圖；
圖2是陶瓷基板內(nèi)部金屬相形成三維網(wǎng)絡(luò)高速散熱通道的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1-金屬相，2-陶瓷相，3-玻璃相；
圖3是金屬陶瓷復(fù)合基板斷口的SEM圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0021]實施例1
按照體積百分比稱取納米Al2O3陶瓷粉50份，銅纖維10份，熔點620°C的ZnO-B2O3-S12系玻璃燒結(jié)助劑40份，均勻混合成混合粉體；再按照質(zhì)量百分比分別稱取混合粉體70%、水14%、聚乙烯醇縮丁醛9%、聚乙二醇6%、三油酸甘油酯0.5%、消泡劑0.01%、成膜助劑0.5%，球磨混合48小時，將球磨好的流延漿料利用真空栗在真空度-0.1Mpa的條件下進(jìn)行真空脫泡，消除球磨中混入漿體的空氣；再將真空脫泡處理過的漿料在流延