本发明涉及陶瓷复合材料技术领域。
背景技术：
以半导体技术为核心技术的信息技术给人类的日常生活带来了极大的变化，未来电子技术的发展，无论是在以微电子技术领域还是电力电子技术领域，电子元器件的功率密度都是朝着更大的方向发展，这就对电子元器件封装材料的散热效率和可靠性带来更高的要求。为了满足电子系统小型化、低成本、高可靠和性能提高的市场需要，电子封装陶瓷基板材料逐渐向高可靠性、高散热效率、价格适宜方向发展。目前普遍使用的陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、Si3N4、莫来石、AlN以及玻璃陶瓷。传统的氧化铝多层陶瓷基板因其工艺成熟，价格低，在一段时间内仍将占有主要地位，但因其热导率不足等问题使应用将受到一定的限制。其中AlN陶瓷热导率高（与金属铝相近）、无毒、原料来源广泛、介电常数与机械性能与氧化铝接近而且绝缘性能更好、既可以流延成型又可以常压烧结，工艺性好。所以AlN是一种很有希望的高导热基板，已被视为新一代高密度、大功率电子封装中最理想的陶瓷基板材料，能够广泛应用于电力电子功率模块、微波毫米波功率器件、大功率电源模块、混合集成电路等领域，特别是利用其高导热的特点制备的陶瓷基板在动力机车、电动汽车、智能电网等电力电子领域应用广泛。但是，为了增加氮化铝陶瓷的热导率，往往采取提高烧结温度或增加保温时间的方法，这就导致氮化铝陶瓷晶粒异常长大，影响陶瓷材料的力学性能，其弯曲强度仅能达到300MPa。这限制了该材料在高可靠电力电子模块中的应用，基板在模块承受功率循环的过程中很容易发生开裂。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料及制法，是将氮化铝晶须加入到氮化铝陶瓷中，利用陶瓷晶须断裂强度高、弹性模量大的特点，提高氮化铝陶瓷材料的力学性能，使其作为电子封装基板使用时具有更高的可靠性，且制法简单，易于实现工业化生产。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料，复合陶瓷粉料中包括如下固体原料：氮化铝65wt.%～90wt.%，氮化铝晶须5wt.%～32wt.%和烧结助剂3wt.%～5wt.%；复合陶瓷粉料经球磨混合制成陶瓷浆料、造粒、成型、排胶、烧结制成氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。优选的，烧结助剂选用溶胶凝胶法制备的纳米钇铝石榴石和氟化钙的混合粉体，其中，纳米钇铝石榴石和氟化钙的质量比为1:1～10：1。优选的，氮化铝为高纯微米级颗粒，氮化铝含量99.9％，粒径为1.5～3.0微米；所述氮化铝晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径0.8～3.5微米。上述电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料的制法，包括下列步骤：（1）将固体原料氮化铝晶须、氮化铝和烧结助剂中加入乙醇、分散剂以及粘结剂，球磨混合36h-48h制成混合均匀的陶瓷浆料；（2）将混合均匀浆料采用喷雾造粒方法干燥、制粉；采用干压成型工艺预置成型，而后等静压成型，制得成型坯体；（3）所得成型坯体在550℃～600℃条件下保温2～4h排除内部有机物；所述有机物包括乙醇、分散剂以及粘结剂；（4）在流动氮气气氛下1700～1850℃、保温2～4小时的条件下烧结，得到陶瓷，经双面磨抛后即制得电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。优选的，步骤(1)采用的分散剂为：PVP和聚丙烯酰胺混合物，其中PVP为氮化铝晶须的分散剂，添加量为氮化铝晶须质量的0.5%～2.0%；聚丙烯酰胺为氮化铝的分散剂，添加量为固体原料总重量的0.5%～1.0%。进一步优选的，步骤(1)采用的混料方法为：先将PVP与一部分乙醇混合后再分散氮化铝晶须，固含量为30wt.%～50wt.%，并调节pH至7～10，混合均匀；再与氮化铝、烧结助剂、聚丙烯酰胺、粘结剂和剩余的乙醇混合，球磨混合36h-48h制成混合均匀的陶瓷浆料；步骤(1)需加乙醇总量控制在使陶瓷浆料固含量为40wt.%～70wt.%。这样混料方式有效减少了氮化铝晶须的团聚，促进氮化铝晶须在基体中均匀分散，保证复合材料内部缺陷少，提高其力学性能。优选的，步骤(1)采用的粘结剂为：聚碳酸丙烯酯，粘结剂添加量为固体原料总重量的0.5%～0.8%。优选的，步骤(2)等静压成型压力为100～150MPa。聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone）简称PVP。晶须是一种具有一定长径比的纤维材料，它是以单晶形式生长成的，其原子高度有序、直径小，强度和弹性模量接近于完整晶体的理论值，因而具有优良的耐高热、耐高温、耐腐蚀性能，同时也有良好的电绝缘性、轻质量、高强度、高硬度、高弹性模量等一系列特性。氮化铝晶须不仅具有氮化铝材料的固有特性，而且具有晶须材料的长径比高、结构完整、缺陷少，其强度和模量高等特点。因此，氮化铝晶须不仅可以作为增强补韧剂用于制备新型结构复合材料，还可以利用其高导热性制备新型功能复合材料。因此，本发明将氮化铝晶须加入到氮化铝陶瓷材料中制备复合材料，利用晶须的高强度和弹性模量增强陶瓷材料，制备高强度高可靠的氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷基板材料。纳米钇铝石榴石能够提高氮化铝的烧结活性促进致密化，氟化钙促进多余的第二相排除。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明利用氮化铝晶须长径比高、结构完整、缺陷少、强度和模量高的优点与氮化铝复合制备出复合陶瓷基板，弯曲强度达到450MPa～600MPa，提高了氮化铝陶瓷的强度，使其作为电子封装基板使用时具有更高的可靠性。2、本发明工艺简单易于实现工业化生产。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；图1是本发明的工艺流程图。具体实施方式实施例1一种电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料，复合陶瓷粉料中包括如下固体原料：氮化铝65wt.%，氮化铝晶须30wt.%和烧结助剂5wt.%；复合陶瓷粉料经球磨混合制成陶瓷浆料、造粒、成型、加热、烧结制成氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。烧结助剂选用溶胶凝胶法制备的纳米钇铝石榴石和氟化钙的混合粉体，其中，纳米钇铝石榴石和氟化钙的质量比为5:1。氮化铝为高纯微米级颗粒，氮化铝含量99.9％，粒径为1.5～3.0微米。氮化铝晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径0.8～3.5微米。上述电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料的制法，包括下列步骤：（1）将固体原料氮化铝晶须、氮化铝和烧结助剂中加入乙醇、分散剂以及粘结剂，球磨混合36h制成混合均匀的陶瓷浆料。采用的分散剂为：PVP和聚丙烯酰胺混合物，其中PVP为氮化铝晶须的分散剂，添加量为氮化铝晶须质量的2.0%；聚丙烯酰胺为氮化铝的分散剂，添加量为固体原料总重量的0.9%。采用的粘结剂为：聚碳酸丙烯酯，粘结剂添加量为固体原料总重量的0.55%。步骤(1)采用的混料方法为：先将PVP与一部分乙醇混合后再分散氮化铝晶须，固含量为35wt.%，并用5wt.%氢氧化钠水溶液调节pH至8，混合均匀后，再与氮化铝、烧结助剂、聚丙烯酰胺、粘结剂和剩余的乙醇混合，球磨混合36h制成混合均匀的陶瓷浆料。步骤(1)需加乙醇总量控制在使陶瓷浆料固含量为70wt.%。（2）将混合均匀浆料采用喷雾造粒方法干燥、制粉；采用干压成型工艺预置成型，而后等静压成型，等静压成型压力为100MPa，制得成型坯体。（3）所得成型坯体在550℃～570℃条件下保温4h排除内部有机物；有机物包括分散剂和粘结剂。（4）在流动氮气气氛下1800～1820℃、保温4小时的条件下烧结，得到陶瓷，经双面磨抛后即制得电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。实施例2一种电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料，复合陶瓷粉料中包括如下固体原料：氮化铝90wt.%，氮化铝晶须7wt.%和烧结助剂3wt.%；复合陶瓷粉料经球磨混合制成陶瓷浆料、造粒、成型、加热、烧结制成氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。烧结助剂选用溶胶凝胶法制备的纳米钇铝石榴石和氟化钙的混合粉体，其中，纳米钇铝石榴石和氟化钙的质量比为10：1。氮化铝为高纯微米级颗粒，氮化铝含量99.9％，粒径为1.5～3.0微米。氮化铝晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径0.8～3.5微米。上述电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料的制法，包括下列步骤：（1）将固体原料氮化铝晶须、氮化铝和烧结助剂中加入乙醇、分散剂以及粘结剂，球磨混合48h制成混合均匀的陶瓷浆料。采用的分散剂为：PVP和聚丙烯酰胺混合物，其中PVP为氮化铝晶须的分散剂，添加量为氮化铝晶须质量的0.5%；聚丙烯酰胺为氮化铝的分散剂，添加量为固体原料总重量的0.8%。采用的粘结剂为：聚碳酸丙烯酯QPAC，粘结剂添加量为固体原料总重量的0.75%。步骤(1)采用的混料方法为：先将PVP与一部分乙醇混合后再分散氮化铝晶须，固含量为30wt.%，并用6wt.%氢氧化钠水溶液调节pH至10，混合均匀后，再与氮化铝、烧结助剂、聚丙烯酰胺、粘结剂和剩余的乙醇混合，球磨混合48h制成混合均匀的陶瓷浆料。步骤(1)需加乙醇总量控制在使陶瓷浆料固含量为60wt.%。（2）将混合均匀浆料采用喷雾造粒方法干燥、制粉；采用干压成型工艺预置成型，而后等静压成型，等静压成型压力为150MPa，制得成型坯体。（3）所得成型坯体在580℃～600℃条件下保温3.5h排除内部有机物；有机物包括分散剂和粘结剂。（4）在流动氮气气氛下1790～1810℃、保温3小时的条件下烧结，得到陶瓷，经双面磨抛后即制得电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料。实施例3一种电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料，复合陶瓷粉料中包括如下固体原料：氮化铝75wt.%，氮化铝晶须21wt.%和烧结助剂4wt.%；复合陶瓷粉料经球磨混合制成陶瓷浆料、造粒、成型、加热、烧结制成氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。烧结助剂选用溶胶凝胶法制备的纳米钇铝石榴石和氟化钙的混合粉体，其中，纳米钇铝石榴石和氟化钙的质量比为5:1。氮化铝为高纯微米级颗粒，氮化铝含量99.9％，粒径为1.5～3.0微米。氮化铝晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径0.8～3.5微米。上述电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料的制法，包括下列步骤：（1）将固体原料氮化铝晶须、氮化铝和烧结助剂中加入乙醇、分散剂以及粘结剂，球磨混合42h制成混合均匀的陶瓷浆料。采用的分散剂为：PVP和聚丙烯酰胺混合物，其中PVP为氮化铝晶须的分散剂，添加量为氮化铝晶须质量的1.0%；聚丙烯酰胺为氮化铝的分散剂，添加量为固体原料总重量的0.7%。采用的粘结剂为：聚碳酸丙烯酯，粘结剂添加量为固体原料总重量的0.5%。步骤(1)采用的混料方法为：先将PVP与一部分乙醇混合后再分散氮化铝晶须，固含量为40wt.%，并用7wt.%氢氧化钠水溶液调节pH至8，混合均匀后，再与氮化铝、烧结助剂、聚丙烯酰胺、粘结剂和剩余的乙醇混合，球磨混合42h制成混合均匀的陶瓷浆料。步骤(1)需加乙醇总量控制在使陶瓷浆料固含量为50wt.%。（2）将混合均匀浆料采用喷雾造粒方法干燥、制粉；采用干压成型工艺预置成型，而后等静压成型，等静压成型压力为110MPa，制得成型坯体。（3）所得成型坯体在550℃～560℃条件下保温2.5h排除内部有机物；有机物包括分散剂和粘结剂。（4）在流动氮气气氛下1830～1850℃、保温4小时的条件下烧结，得到陶瓷，经双面磨抛后即制得电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料。实施例4一种电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料，复合陶瓷粉料中包括如下固体原料：氮化铝90wt.%，氮化铝晶须5wt.%和烧结助剂5wt.%；复合陶瓷粉料经球磨混合制成陶瓷浆料、造粒、成型、加热、烧结制成氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。烧结助剂选用溶胶凝胶法制备的纳米钇铝石榴石和氟化钙的混合粉体，其中，纳米钇铝石榴石和氟化钙的质量比为2:1。氮化铝为高纯微米级颗粒，氮化铝含量99.9％，粒径为1.5～3.0微米。氮化铝晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径0.8～3.5微米。上述电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料的制法，包括下列步骤：（1）将固体原料氮化铝晶须、氮化铝和烧结助剂中加入乙醇、分散剂以及粘结剂，球磨混合39h制成混合均匀的陶瓷浆料。采用的分散剂为：PVP和聚丙烯酰胺混合物，其中PVP为氮化铝晶须的分散剂，添加量为氮化铝晶须质量的1.5%；聚丙烯酰胺为氮化铝的分散剂，添加量为固体原料总重量的0.6%。采用的粘结剂为：聚碳酸丙烯酯，粘结剂添加量为固体原料总重量的0.8%。步骤(1)采用的混料方法为：先将PVP与一部分乙醇混合后再分散氮化铝晶须，固含量为50wt.%，并用8wt.%氢氧化钠水溶液调节pH至9，混合均匀后，再与氮化铝、烧结助剂、聚丙烯酰胺、粘结剂和剩余的乙醇混合，球磨混合39h制成混合均匀的陶瓷浆料。步骤(1)需加乙醇总量控制在使陶瓷浆料固含量为40wt.%。（2）将混合均匀浆料采用喷雾造粒方法干燥、制粉；采用干压成型工艺预置成型，而后等静压成型，等静压成型压力为120MPa，制得成型坯体。（3）所得成型坯体在590℃～600℃条件下保温3h排除内部有机物；有机物包括分散剂和粘结剂。（4）在流动氮气气氛下1700～1720℃、保温4小时的条件下烧结，得到陶瓷，经双面磨抛后即制得电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料。实施例5一种电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料，复合陶瓷粉料中包括如下固体原料：氮化铝65wt.%，氮化铝晶须32wt.%和烧结助剂3wt.%；复合陶瓷粉料经球磨混合制成陶瓷浆料、造粒、成型、加热、烧结制成氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。烧结助剂选用溶胶凝胶法制备的纳米钇铝石榴石和氟化钙的混合粉体，其中，纳米钇铝石榴石和氟化钙的质量比为7:1。氮化铝为高纯微米级颗粒，氮化铝含量99.9％，粒径为1.5～3.0微米。氮化铝晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径0.8～3.5微米。上述电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料的制法，包括下列步骤：（1）将固体原料氮化铝晶须、氮化铝和烧结助剂中加入乙醇、分散剂以及粘结剂，球磨混合45h制成混合均匀的陶瓷浆料。采用的分散剂为：PVP和聚丙烯酰胺混合物，其中PVP为氮化铝晶须的分散剂，添加量为氮化铝晶须质量的0.8%；聚丙烯酰胺为氮化铝的分散剂，添加量为固体原料总重量的0.5%。采用的粘结剂为：聚碳酸丙烯酯，粘结剂添加量为固体原料总重量的0.6%。步骤(1)采用的混料方法为：先将PVP与一部分乙醇混合后再分散氮化铝晶须，固含量为45wt.%，并用9wt.%氢氧化钠水溶液调节pH至7，混合均匀后，再与氮化铝、烧结助剂、聚丙烯酰胺、粘结剂和剩余的乙醇混合，球磨混合45h制成混合均匀的陶瓷浆料。步骤(1)需加乙醇总量控制在使陶瓷浆料固含量为55wt.%。（2）将混合均匀浆料采用喷雾造粒方法干燥、制粉；采用干压成型工艺预置成型，而后等静压成型，等静压成型压力为130MPa，制得成型坯体。（3）所得成型坯体在570℃～590℃条件下保温4h排除内部有机物；有机物包括分散剂和粘结剂。（4）在流动氮气气氛下1800～1850℃、保温2.5小时的条件下烧结，得到陶瓷。（5）陶瓷经双面磨抛后即制得电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料。实施例6一种电子封装用氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料，复合陶瓷粉料中包括如下固体原料：氮化铝82wt.%，氮化铝晶须15wt.%和烧结助剂3wt.%；复合陶瓷粉料经球磨混合制成陶瓷浆料、造粒、成型、加热、烧结制成氮化铝晶须增强氮化铝陶瓷复合材料。烧结助剂选用溶胶凝胶法制备的纳米钇铝石榴石和氟化钙的混合粉体，其中，纳米钇铝石榴石和氟化钙的质量比为3:1。氮化铝为高纯微米级颗粒，氮化铝含量99.9％，粒径为1.5～3.0微米。氮化铝晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径0.8～3.5微米。上述电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料的制法，包括下列步骤：（1）将固体原料氮化铝晶须、氮化铝和烧结助剂中加入乙醇、分散剂以及粘结剂，球磨混合36h制成混合均匀的陶瓷浆料。采用的分散剂为：PVP和聚丙烯酰胺混合物，其中PVP为氮化铝晶须的分散剂，添加量为氮化铝晶须质量的1.7%；聚丙烯酰胺为氮化铝的分散剂，添加量为固体原料总重量的1.0%。采用的粘结剂为：聚碳酸丙烯酯，粘结剂添加量为固体原料总重量的0.7%。步骤(1)采用的混料方法为：先将PVP与一部分乙醇混合后再分散氮化铝晶须，固含量为32wt.%，并用10wt.%氢氧化钠水溶液调节pH至8，混合均匀后，再与氮化铝、烧结助剂、聚丙烯酰胺、粘结剂和剩余的乙醇混合，球磨混合36h制成混合均匀的陶瓷浆料。步骤(1)需加乙醇总量控制在使陶瓷浆料固含量为45wt.%。（2）将混合均匀浆料采用喷雾造粒方法干燥、制粉；采用干压成型工艺预置成型，而后等静压成型，等静压成型压力为140MPa，制得成型坯体。（3）所得成型坯体在560℃～580℃条件下保温2h排除内部有机物；有机物包括分散剂和粘结剂。（4）在流动氮气气氛下1800～1830℃、保温4小时的条件下烧结，得到陶瓷。（5）陶瓷经双面磨抛后即制得电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷复合材料。最终制得的电子封装用氮化铝晶须增强的氮化铝陶瓷材料主要性能如下：热导率170～200W/m·K弯曲强度450MPa～600MPa密度3.3g/cm3介电常数：8.7±0.2(1MHz)损耗因子：6×10-4(1MHz)电阻率：>1014Ω•cm击穿电压：>14KV/mm热膨胀系数（25℃～300℃）：4.7±0.3ppm/℃。本发明利用氮化铝晶须长径比高、结构完整、缺陷少、强度和模量高的优点与氮化铝复合制备出复合陶瓷基板，弯曲强度达到450MPa～600MPa，比现有陶瓷强度提高了50%～100%，使其作为电子封装基板使用时具有更高的可靠性。本发明工艺简单易于实现工业化生产。