阅读说明：本技术 一种氮化铝陶瓷粉体、其制备方法和封装基板 (Aluminum nitride ceramic powder, preparation method thereof and packaging substrate ) 是由 宋锡滨 王海超 李心勇 潘光军 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种氮化铝陶瓷粉体、其制备方法和封装基板。该氮化铝陶瓷粉体在20～70GHz范围内的介电常数为7.8～9.0。基于上述介电性能,该氮化铝陶瓷粉体可以用于5G通讯消费电子芯片封装陶瓷基板或玻璃陶瓷共烧基板。(The invention provides aluminum nitride ceramic powder, a preparation method thereof and a packaging substrate. The dielectric constant of the aluminum nitride ceramic powder is 7.8-9.0 within the range of 20-70 GHz. Based on the dielectric property, the aluminum nitride ceramic powder can be used for a 5G communication consumer electronic chip packaging ceramic substrate or a glass ceramic co-fired substrate.)

一种氮化铝陶瓷粉体、其制备方法和封装基板

技术领域

本发明涉及氮化铝陶瓷粉体制备领域，具体而言，涉及一种氮化铝陶瓷粉体、其制备方法和封装基板。

背景技术

氮化铝陶瓷具备高的热导率，良好的电绝缘性，以及低的介电损耗，是一种非常理想的基板材料及电子器件封装材料。氮化铝粉体的性能对基板材料的性能有着重要的影响，随着微电子技术的快速发展，微波器件及毫米波器件被广泛应用，高性能的氮化铝成为当今研究的热点之一。碳热还原法是目前应用最多的制备方法，通常将铝源和碳源均匀混合，然后置于氮气气氛中加热发生反应得到氮化铝粉体。在氮化反应阶段，铝源、碳源的前驱体与氮气的充分反应尤为重要，在铝源、碳源反应的过程中，其界面的状态直接对材料的性能、烧结成型及其介电性能有重要的影响。

目前铝源与碳源的混合多采用球磨混合的工艺，纳米混合物在干燥过程中，极易产生团聚、偏析、甚至板结现象，对氮化反应造成不利影响，该粉体在进行烧结后应用时，一般介电损耗较大，难以满足毫米波频段对材料的要求。经研究前驱体的状态直接对氮化铝的介电性能产生较大的影响，因此，合理控制前驱体的状态，对于改善氮化铝介电性能尤为重要。公开号为CN 108793102A的中国专利申请公开了一种氮化铝的制备工艺，其利用喷雾干燥设备进行干燥，由于巨大的离心力，极易破坏铝源和碳源的均匀状态，产生成分偏析，对氮化反应产生不利影响。公开号为CN 109346678 A的中国专利申请公开了一种鼓风干燥和真空干燥的工艺，该工艺可以在一定程度上减少浆料前驱体在干燥过程中的团聚，但是该工艺利用的高温低压干燥工艺，压力降低后，溶剂表面张力增大，也会对前驱体的性能产生一定影响。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种氮化铝陶瓷粉体、其制备方法和封装基板，以解决现有技术中的氮化铝陶瓷粉体的介电性能不能满足5G要求的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种氮化铝陶瓷粉体，氮化铝陶瓷粉体在20～70GHz范围内的介电常数为7.8～9.0。

进一步地，上述氮化铝陶瓷粉体在20～70GHz范围内的介电损耗角正切为0.002～0.008。

根据本发明的另一方面，提供了一种氮化铝陶瓷粉体的制备方法，包括：步骤S1，将铝源、碳源和溶剂湿法球磨混合形成湿混物；步骤S2，将湿混物在高压流体气氛中干燥，得到前驱体；步骤S3，将前驱体氮化，得到含有氮化铝和过量碳源的半成品；以及步骤S4，对半成品进行除碳处理，得到氮化铝陶瓷粉体。

进一步地，上述步骤S2包括：将湿混物置于干燥室中，对湿混物加热的同时向干燥室内通入气体以使干燥室升压，气体为惰性气体或氮气，气体出口在湿混物上方；将湿混物加热至预定温度，当干燥室内压力大于预定压力时泄压以维持干燥室内压力在预定压力；当停止通入气体后，密闭的干燥室内压力不再上升表示干燥完成，得到前驱体。

进一步地，上述预定压力为1.0～4.0MPa，优选为1.2～2.0MPa，预定温度为100～250℃，优选为150～200℃。

进一步地，上述气体的流速为5～100L/min，优选为15～20L/min。

进一步地，在步骤S2进行过程中，对湿混物进行搅拌，优选搅拌速度为20rpm～200rpm。

进一步地，上述溶剂为水或有机溶剂，优选有机溶剂为乙醇、乙二醇或丙醇。

进一步地，上述步骤S3包括：将前驱体在氮化气氛中在1400～1600℃下反应2～10h，得到半成品，优选氮化气氛为氮气、或氮气和氢气的混合气体、或氮气和氨气的混合气体。

进一步地，上述步骤S4包括：使半成品在空气或含氧气的混合气体中、550～700℃保温2～6h进行除碳，得到氮化铝陶瓷粉体。

根据本发明的又一方面，提供了一种上述任一种的制备方法制备得到的氮化铝陶瓷粉体。

根据本发明的再一方面，提供了一种封装基板，封装基板包括氮化铝陶瓷粉体，该氮化铝陶瓷粉体为上述任一种氮化铝陶瓷粉体。

应用本发明的技术方案，本发明的提供的氮化铝陶瓷粉体在20～70GHz范围内的介电常数为7.8～9.0。基于上述介电性能，该氮化铝陶瓷粉体可以用于5G通讯消费电子芯片封装陶瓷基板或玻璃陶瓷共烧基板。

本申请的制备方法，将湿混物在高压流体气氛中干燥，实现干燥过程中的温度和压力控制，湿混物中的溶剂加热后气化随高压流体排出，实现前驱体的干燥。该步骤可以有效避免其纳米混合物前驱体干燥过程发生偏析、团聚或板结，得到性能较好的前驱体；经氮化反应和除碳后得到的氮化铝陶瓷粉体的介电常数和介电损耗均有明显改善，可以适用于5G通讯消费电子芯片封装陶瓷基板及玻璃陶瓷共烧基板等应用领域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例1的所采用的干燥装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、干燥室；2、搅拌桨；3、加热器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如本申请背景技术所分析的，现有技术的氮化铝陶瓷粉体的介电性能不能满足5G要求。为了解决该问题，本申请提供了一种氮化铝陶瓷粉体、其制备方法和封装基板。

在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种氮化铝陶瓷粉体，该氮化铝陶瓷粉体在20～70GHz范围内的介电常数为7.8～9.0，优选为7.9～9.0。基于上述介电性能，该氮化铝陶瓷粉体可以用于5G通讯消费电子芯片封装陶瓷基板或玻璃陶瓷共烧基板。

优选所述氮化铝陶瓷粉体在20～70GHz范围内的介电损耗角正切为0.002～0.008，进一步优选为0.04～0.08。

经过研究发现，现有技术的氮化铝陶瓷粉体的介电性能之所以不能满足5G的使用要求，是因为氮化铝陶瓷粉体制备用铝源和碳源混合物干燥时容易团聚、偏析的问题，为了解决该问题，在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种氮化铝陶瓷粉体的制备方法，包括：步骤S1，将铝源、碳源和溶剂湿法球磨混合形成湿混物；步骤S2，将湿混物在高压流体气氛中干燥，得到前驱体；步骤S3，将前驱体氮化，得到含有氮化铝和过量碳源的半成品；以及步骤S4，对半成品进行除碳处理，得到氮化铝陶瓷粉体。

本申请的制备方法，将湿混物在高压流体气氛中干燥，实现干燥过程中的温度和压力控制，湿混物中的溶剂加热后气化随高压流体排出，实现前驱体的干燥。该步骤可以有效避免其纳米混合物前驱体干燥过程发生偏析、团聚或板结，得到性能较好的前驱体；经氮化反应和除碳后得到的氮化铝陶瓷粉体的介电常数和介电损耗均有明显改善，可以适用于5G通讯消费电子芯片封装陶瓷基板及玻璃陶瓷共烧基板等应用领域。

在本申请一种实施例中，上述步骤S2包括：将湿混物置于干燥室中，对湿混物加热的同时向干燥室内通入气体以使干燥室升压，该气体为惰性气体或氮气，气体出口在湿混物上方；将湿混物加热至预定温度，当干燥室内压力大于预定压力时泄压以维持干燥室内压力在预定压力；当停止通入气体后，密闭的干燥室内压力不再上升表示干燥完成，得到前驱体。

在上述过程中，通过加热使湿混物中的溶剂挥发，通过泄压使挥发的溶剂随着通入的气体流出进而实现溶剂干燥的目的。当停止通入气体后，在温度不变的情况下，密闭的干燥室内压力不再上升表示不再有溶剂挥发出来，进而表示干燥完成。上述干燥室内压力可以采用压力检测器实时监控，且将压力检测器与气体出口的阀门电连接，当压力检测器检测到干燥室内压力大于预定压力时，向气体出口的阀门发送打开的指令进行泄压以维持干燥室内压力在预定压力。湿混物的温度也可以通过温度检测器进行实施监测，以实现对温度的精确控制，并将温度检测器与加热器进行电连接，当温度检测器检测到湿混物温度超过预定温度时，向加热器发送停止加热的指令，加热器接收指令后停止加热以避免超温。

上述过程中的预定温度可以以现有技术中常用的干燥温度为参考并适当增加，以提高溶剂在高压下的挥发速度，在一种优选的实施例中，上述预定压力为1.0～4.0MPa，优选为1.2～2.0MPa，预定温度为100～250℃，优选为150～200℃。

在兼顾干燥效率和干燥效果的前提下，优选上述气体的流速为5～100L/min，优选为15～20L/min，以实现尽可能在较短时间内完成干燥，又可以尽可能避免团聚、偏析或板结。

为了进一步提高干燥效率，优选在步骤S2进行过程中，对湿混物进行搅拌。更优选搅拌速度为20rpm～200rpm。

本申请的上述步骤S2对于目前的湿法球磨混合形成的湿混物都具有前述效果，其中湿法球磨时所选用的溶剂可以为水或有机溶剂，优选有机溶剂为乙醇、乙二醇或丙醇。其湿法球磨的条件、铝源、碳源和溶剂的用量均可以以现有技术为参考，在此不再赘述。

在一种实施例中，上述步骤S3包括：将前驱体在氮化气氛中在1400～1600℃下反应2～10h，得到半成品，优选氮化气氛为氮气、或氮气和氢气的混合气体、或氮气和氨气的混合气体。以实现对铝源的尽可能彻底氮化。

本申请得到的半成品的除碳方法也可以参考现有技术，比如含氧气氛中烧除或者二氧化碳气氛中煅烧除碳，为了提高除碳效率，优选上述步骤S4包括：使半成品在空气或含氧气的混合气体中、550～700℃保温2～6h进行除碳，得到氮化铝粉体。

在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种上述任一种制备方法制备得到的氮化铝陶瓷粉体。本申请的制备方法得到的氮化铝陶瓷粉体的介电常数和介电损耗都有所改善，经测试在20-70GHz范围内介电常数为7.8～9.0，介电损耗角正切为0.002～0.008。基于上述介电性能，该氮化铝陶瓷粉体可以用于5G通讯消费电子芯片封装陶瓷基板或玻璃陶瓷共烧基板。

在本申请又一种典型的实施方式中，提供了一种封装基板，该封装基板包括氮化铝陶瓷粉体，该氮化铝陶瓷粉体为上述的氮化铝陶瓷粉体。上述封装基板可以为用于5G通讯消费电子芯片封装陶瓷基板或玻璃陶瓷共烧基板。

以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。

实施例1

铝源为纯度99.99％以上的高纯氧化铝粉，平均粒径为200～300nm；碳源为纯度99.99％以上的炭黑，比表面积为200～300m²/g。取氧化铝粉体400g、炭黑200g、纯水500ml，直径为0.5mm的氧化铝球500g，置于球磨混合装置中，球磨设定转速300rpm，球磨混合时间设定2h。然后将浆料与氧化铝球过筛分离，即可得到混合浆料。

然后将混合浆料置于如图1所示的装置中的干燥室1内进行干燥。一边利用加热器3对混合浆料加热，一边向干燥1室内通入气体，通入的气体为氮气，气体流量为20L/min，气体排出阀门为自动开关控制，同时开启搅拌桨2，搅拌速度为60rpm。当达到或超过设定压力时，该阀门即可自动打开，将氮气及溶剂气体排出，其中，设定目标加热温度为150℃，干燥室内预定压力为1.2Mpa，大概干燥8h后停止通入氮气，密闭的干燥室内压力不再上升表示干燥完成，得到前驱体。

将上述前驱体置于氮化炉中，通入氮气气氛，氮气流量为3L/min，升温至1580℃，保温时间4h，得到氮化铝陶瓷半成品。然后将上述氮化铝陶瓷半成品置于中温炉中，通入空气，空气流量为10L/min，设定炉温为650℃，保温时间4h，得到氮化铝陶瓷粉体成品。

实施例2

与实施例1的区别在于，干燥过程中，氮气流量为15L/min，设定目标加热温度为180℃，干燥室内预定压力为1.7Mpa，大概8h后停止通入氮气，密闭的干燥室内压力不再上升表示干燥完成，得到前驱体。

实施例3

与实施例1的区别在于，干燥过程中，氮气流量为15L/min，设定目标加热温度为200℃，干燥室内预定压力为2.0Mpa，大概6h后停止通入氮气，密闭的干燥室内压力不再上升表示干燥完成，得到前驱体。

实施例4

与实施例1的区别在于，干燥过程中，氮气流量为5L/min，设定目标加热温度为250℃，干燥室内预定压力为1.0Mpa，大概6h后停止通入氮气，密闭的干燥室内压力不再上升表示干燥完成，得到前驱体。

实施例5

与实施例1的区别在于，采用乙醇替换水，干燥过程中，氮气流量为100L/min，设定目标加热温度为100℃，干燥室内预定压力为4.0Mpa，大概8h后停止通入氮气，密闭的干燥室内压力不再上升表示干燥完成，得到前驱体。

实施例6

与实施例1的区别在于，采用乙醇替换水，干燥过程中，氮气流量为50L/min，设定目标加热温度为300℃，干燥室内预定压力为0.8Mpa，大概6h后停止通入氮气，密闭的干燥室内压力不再上升表示干燥完成，得到前驱体。

实施例7

与实施例1的区别在于，将上述前驱体置于氮化炉中，通入氮气气氛，氮气流量为3L/min，升温至1400℃，保温时间10h，得到氮化铝陶瓷半成品。然后将上述氮化铝陶瓷半成品置于中温炉中，通入空气，空气流量为10L/min，设定炉温为550℃，保温时间4h，得到氮化铝陶瓷粉体成品。

实施例8

与实施例1的区别在于，将上述前驱体置于氮化炉中，通入氮气气氛，氮气流量为3L/min，升温至1600℃，保温时间2h，得到氮化铝陶瓷半成品。然后将上述氮化铝陶瓷半成品置于中温炉中，通入空气，空气流量为10L/min，设定炉温为700℃，保温时间2h，得到氮化铝陶瓷粉体成品。

实施例9

与实施例1的区别在于，将上述前驱体置于氮化炉中，通入氮气和氢气以10∶1体积比混合的混合气氛，混合气氛的流量为3L/min，升温至1580℃，保温时间4h，得到氮化铝陶瓷半成品。然后将上述氮化铝陶瓷半成品置于中温炉中，通入空气，空气流量为10L/min，设定炉温为650℃，保温时间4h，得到氮化铝陶瓷粉体成品。

对比例1

与实施例1的区别在于，干燥过程采用真空烘箱进行干燥，干燥温度150℃，时间8h。

对比例2

与实施例1的区别在于，干燥过程采用喷雾干燥机进行干燥，设置进风口温度230℃，出风口温度100℃，转速11000rpm。

性能评价

一、粉体性能分析

对各实施例和对比例获得的氮化铝陶瓷粉体成品进行粉体性能的测定，比表面积测定采用Builedr-3600型测试，粒度测定采用Malvern-2000型测试，结果见表1。

表1

二、介电性能分析

对各实施例和对比例获得的氮化铝陶瓷粉体成品进行介电性能的测定，测试前，首先将该材料制备成表面平整的薄片，然后采用经本公司长期研究开发的进阶型法布里-珀罗微扰法(简称AFPPM法)进行测试。进阶型法布里-珀罗微扰法：传统的法布里-珀罗微扰法在样品测试厚度上具有限制，无法满足市场上常见厚度的样品的测试，为解决此问题，根据电磁理论基础对法布里-珀罗微扰法进行改进，使其可以测试样品的厚度范围扩大，可应用到更多的市场上标准尺寸的基板材料，这种方法我们称之为进阶型法布里-珀罗微扰法(AdvancedFabry Perot Perturbation Methods)，简称AFPPM法。具体的测试过程详见企业标准Q/0500SGC003.1-2020《毫米波频段材料介电性能测试方法第1部分：20-70GHz介电性能常温测试方法》。本发明中各产品在20～70GHz频率下的介电常数(Dk值)及介电损耗(Df值)，结果见表2。

表2

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的制备方法，将湿混物在高压流体气氛中干燥，实现干燥过程中的温度和压力控制，湿混物中的溶剂加热后气化随高压流体排出，实现前驱体的干燥。该步骤可以有效避免其纳米混合物前驱体干燥过程发生偏析、团聚或板结，得到性能较好的前驱体；经氮化反应和除碳后得到的氮化铝陶瓷的介电常数和介电损耗均有明显改善，可以适用于5G通讯消费电子芯片封装陶瓷基板及玻璃陶瓷共烧基板等应用领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。