本發(fā)明涉及陶瓷基板，具體的，涉及一種低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電子器件向高頻化、高集成化方向發(fā)展，封裝材料的介電性能成為制約信號傳輸效率的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)氧化鋁陶瓷基板雖具備良好的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性，但其介電常數(shù)較高，在高頻信號傳輸中易引發(fā)顯著的能量損耗和相位延遲，難以滿足5g通信、微波器件等領(lǐng)域的需求。氧化鈹陶瓷雖介電常數(shù)較低，但其毒性和高成本限制了其廣泛應(yīng)用。在此背景下，氮化鋁陶瓷憑借其固有優(yōu)勢成為研究焦點(diǎn)。

2、氮化鋁陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的電學(xué)性能：六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)使其介電常數(shù)顯著低于氧化鋁，且介電損耗僅為氧化鋁的1/3至1/2，在高頻環(huán)境下表現(xiàn)出更低的信號衰減。然而，現(xiàn)有制備工藝下的氮化鋁基板仍存在介電性能瓶頸。例如，高溫共燒過程中添加的燒結(jié)助劑雖能促進(jìn)致密化，但可能形成高介電相，導(dǎo)致整體介電常數(shù)上升。此外，金屬化工藝中使用的鎢、鉬等導(dǎo)體材料與陶瓷界面的相互作用可能引入寄生電容，進(jìn)一步影響高頻特性。

3、綜上所述，盡管氮化鋁陶瓷在導(dǎo)熱、機(jī)械性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異，但其介電常數(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化，因此，研發(fā)一種能夠降低介電常數(shù)的氮化鋁陶瓷基板具有至關(guān)重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板及其制備方法，解決了相關(guān)技術(shù)中氮化鋁陶瓷基板介電常數(shù)高的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提出一種低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板，原料包括以下重量份的組分：氮化鋁85~105份、燒結(jié)助劑8~14份、增塑劑12~16份、粘結(jié)劑6~10份、分散劑6~8份、增強(qiáng)劑14~18份、溶劑80~90份；

4、所述增強(qiáng)劑的原料包括稀土氮化物、稀土氧化物和氧化鋅。

5、本發(fā)明中，稀土氮化物可以為任意一種或多種稀土氮化物，可以為氮化鈰、氮化鈧、氮化鑭、氮化鐿中的一種或多種，優(yōu)選為氮化鈰、氮化鈧中的一種或兩種。

6、本發(fā)明中，稀土氧化物可以為任意一種或多種稀土氧化物，可以為氧化釔、氧化鈧、氧化鈰、氧化釤中的一種或多種，優(yōu)選為氧化釔、氧化鈧中的一種或兩種。

7、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述增強(qiáng)劑的制備方法，包括以下步驟：

8、將稀土氮化物、稀土氧化物和氧化鋅混合，球磨，預(yù)燒結(jié)，得到增強(qiáng)劑。

9、本發(fā)明中，增強(qiáng)劑的制備工藝通過機(jī)械混合與預(yù)燒結(jié)，使稀土氮化物、稀土氧化物與氧化鋅形成前驅(qū)體復(fù)合相，球磨過程打破原料團(tuán)聚，預(yù)燒結(jié)促使組分間初步作用形成活性中間相，制得的增強(qiáng)劑在后續(xù)燒結(jié)中更易與氮化鋁基體結(jié)合，避免界面處的非晶態(tài)高介電層，同時(shí)彌散分布的增強(qiáng)相有效阻礙裂紋擴(kuò)展，提升材料韌性，為低介電常數(shù)與高可靠性的平衡提供結(jié)構(gòu)保障，通過將稀土氮化物、稀土氧化物和氧化鋅混合、預(yù)燒結(jié)，進(jìn)一步降低了氮化鋁陶瓷基板的介電常數(shù)。

10、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述稀土氮化物、稀土氧化物和氧化鋅的質(zhì)量比為5~7:3:7。

11、本發(fā)明中，稀土氮化物、稀土氧化物和氧化鋅的質(zhì)量比可以為5.2:3:7、5.4:3:7、5.6:3:7、5.8:3:7、6:3:7、6.2:3:7、6.4:3:7、6.6:3:7、6.8:3:7、7:3:7，優(yōu)選為5:3:7、6:3:7、7:3:7，更優(yōu)選為6:3:7。

12、本發(fā)明中，通過調(diào)整稀土氮化物、稀土氧化物和氧化鋅的質(zhì)量比為5~7:3:7，進(jìn)一步降低了氮化鋁陶瓷基板的介電常數(shù)。

13、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述球磨時(shí)，轉(zhuǎn)速為600~700rpm，時(shí)間為2~3h；

14、所述預(yù)燒結(jié)時(shí)，溫度為450~550℃，時(shí)間為4~5h。

15、本發(fā)明中，球磨與預(yù)燒結(jié)參數(shù)的設(shè)定用于調(diào)控增強(qiáng)劑的活性：高速球磨使原料粒徑降低，預(yù)燒結(jié)能夠形成具有多孔結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)劑前驅(qū)體，處理后的增強(qiáng)劑在漿料混合中更易分散，燒結(jié)時(shí)與基體的混合條件更溫和，避免局部過熱導(dǎo)致的晶粒粗化，同時(shí)保留適量孔隙以降低介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝可控性與材料性能的優(yōu)化。

16、本發(fā)明中，燒結(jié)助劑可以是任意一種或多種常規(guī)燒結(jié)助劑，可以為氧化鎂、氧化鈣、二氧化鈦、氧化鋯、二氧化硅、氧化硼、氧化鋰中的一種或多種，優(yōu)選為氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、二氧化鈦中的一種或多種。

17、本發(fā)明中，燒結(jié)助劑通過多維度微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控陶瓷材料性能，燒結(jié)助劑在高溫下促進(jìn)液相形成或增強(qiáng)原子擴(kuò)散，加速坯體致密化過程，減少氣孔缺陷并提高材料致密度，同時(shí)，燒結(jié)助劑可抑制晶粒異常長大，形成均勻細(xì)晶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅提高材料強(qiáng)度與韌性，還優(yōu)化熱膨脹系數(shù)匹配性，降低內(nèi)應(yīng)力；此外，燒結(jié)助劑形成的玻璃相或高熔點(diǎn)化合物可強(qiáng)化晶界結(jié)合，阻隔裂紋擴(kuò)展路徑，并抑制材料在高溫下的氧化或分解反應(yīng)，增強(qiáng)長期穩(wěn)定性，燒結(jié)助劑還可降低燒結(jié)溫度，減少能耗并延長設(shè)備壽命，同時(shí)與粘結(jié)劑、分散劑協(xié)同改善漿料工藝性能，提升成型過程的可操作性。

18、本發(fā)明中，增塑劑可以是任意一種或多種常規(guī)增塑劑，可以為聚乙烯醇、聚乙二醇、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二丁酯、檸檬酸三丁酯、乙酰檸檬酸三丁酯中的一種或多種，優(yōu)選為鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇中的一種或多種。

19、本發(fā)明中，低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板的原料加入了增塑劑，加入增塑劑時(shí)，增塑劑的長鏈分子結(jié)構(gòu)在溶劑中舒展，插入陶瓷顆粒與功能性組分之間，降低顆粒間摩擦阻力，顯著改善漿料流動(dòng)性，確保復(fù)雜形狀成型的完整性，增塑劑還能與顆粒表面活性位點(diǎn)形成弱相互作用，增強(qiáng)顆粒間結(jié)合力，提高生坯強(qiáng)度，抑制干燥過程中微裂紋的產(chǎn)生，因此。增塑劑的引入使低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板兼具優(yōu)異的加工性能、力學(xué)強(qiáng)度。

20、本發(fā)明中，粘結(jié)劑可以是任意一種或多種常規(guī)粘結(jié)劑，優(yōu)選為聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的一種或兩種。

21、本發(fā)明中，低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板的原料加入了粘結(jié)劑，加入粘結(jié)劑時(shí)，粘結(jié)劑在溶劑中形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，將陶瓷粉體與功能性組分有效粘結(jié)，確保坯體在成型過程中保持形狀完整性，粘結(jié)劑分子與顆粒表面形成化學(xué)吸附或氧鍵，增強(qiáng)顆粒間結(jié)合力，提高生坯強(qiáng)度，滿足后續(xù)加工需求，并且粘結(jié)劑的分解溫度與溶劑揮發(fā)特性協(xié)同調(diào)控，形成梯度孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)殘留有機(jī)物排出，分解產(chǎn)物通過微通道逸出，避免閉氣孔缺陷，確保燒結(jié)后材料致密度達(dá)理想水平，提高柸材結(jié)構(gòu)的完整性，防止干燥過程中柸材開裂。

22、本發(fā)明中，分散劑可以是任意一種或多種常規(guī)分散劑，優(yōu)選為磷酸二丁酯。

23、本發(fā)明中，低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板的原料加入了分散劑，當(dāng)分散劑為磷酸二丁酯時(shí)，其分子結(jié)構(gòu)中的磷酸基團(tuán)與氮化鋁顆粒表面發(fā)生配位吸附，形成有機(jī)包覆層，有效減少顆粒團(tuán)聚，為后續(xù)燒結(jié)提供均勻微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，另外，在乙醇溶劑體系中，磷酸二丁酯與增塑劑協(xié)同作用優(yōu)化漿料流變性能，確保成型過程中組分均勻分布，增強(qiáng)劑的效果得以充分發(fā)揮，提升低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板的力學(xué)強(qiáng)度。

24、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述溶劑包括乙醇、異丙醇中的一種。

25、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述燒結(jié)助劑為氧化鋯和二氧化鈦時(shí)，所述氧化鋯和二氧化鈦為表面處理的氧化鋯和二氧化鈦；

26、所述表面處理的氧化鋯和二氧化鈦的原料包括氧化鋯、二氧化鈦、5-羥基煙酸。

27、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述表面處理的氧化鋯和二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟：

28、將氧化鋯和二氧化鈦加入乙醇中，加入5-羥基煙酸，攪拌至均勻，干燥，得到表面處理的氧化鋯和二氧化鈦；

29、所述攪拌時(shí)，溫度為40~50℃。

30、本發(fā)明中，燒結(jié)助劑為使用5-羥基煙酸進(jìn)行表面處理的氧化鋯和二氧化鈦，表面處理提高了燒結(jié)助劑在體系中的分散性，防止燒結(jié)助劑團(tuán)聚，使燒結(jié)助劑與氮化鋁混合更加均勻，并且，表面處理工藝在40~50℃下進(jìn)行，確保5-羥基煙酸分子與氧化鋯和二氧化鈦的充分作用，低溫?cái)嚢璞苊庥袡C(jī)物分解，乙醇溶劑促進(jìn)分子擴(kuò)散，形成的納米級有機(jī)層在排膠時(shí)完全揮發(fā)，僅留下均勻分散的氧化鋯和二氧化鈦顆粒，燒結(jié)形成的低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板更加緊密和分布均勻，減少了低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板的氣孔，因此，提高了低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板的彎曲強(qiáng)度。

31、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述氧化鋯、二氧化鈦、5-羥基煙酸的質(zhì)量比為20:70:4~7。

32、本發(fā)明中，氧化鋯、二氧化鈦、5-羥基煙酸的質(zhì)量比可以為20:70:4、20:70:4.2、20:70:4.4、20:70:4.6、20:70:4.8、20:70:5、20:70:5.2、20:70:5.4、20:70:5.6、20:70:5.8、20:70:6、20:70:6.2、20:70:6.4、20:70:6.6、20:70:6.8、20:70:7。

33、本發(fā)明中，通過調(diào)整氧化鋯、二氧化鈦、5-羥基煙酸的質(zhì)量比為20:70:4~7，進(jìn)一步提高了低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板的彎曲強(qiáng)度，通過限定5-羥基煙酸的占比，使表面處理的燒結(jié)助劑在燒結(jié)時(shí)既促進(jìn)助劑分散，又避免過量有機(jī)物導(dǎo)致的碳?xì)埩簦_保最終陶瓷的絕緣性與介電純凈度。

34、本發(fā)明還提出了一種低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板的制備方法，用于制備所述的一種低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板，包括以下步驟：

35、s1、將氮化鋁、燒結(jié)助劑、增塑劑、分散劑、增強(qiáng)劑混合均勻，加入粘結(jié)劑、溶劑，混合均勻，得到漿料；

36、s2、將所述漿料流延成型，干燥，得到坯材；

37、s3、對所述坯材進(jìn)行排膠、燒結(jié)，得到低介電常數(shù)氮化鋁陶瓷基板。

38、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述燒結(jié)時(shí)，溫度為1550~1650℃，時(shí)間為2.5~3.5h。

39、本發(fā)明的工作原理及有益效果為：

40、本發(fā)明中，選用氮化鋁作為基體材料，其六方晶系結(jié)構(gòu)賦予材料高導(dǎo)熱性與低介電常數(shù)特性，為信號傳輸提供基礎(chǔ)保障，燒結(jié)助劑在高溫下形成液相，促進(jìn)顆粒重排與致密化，同時(shí)抑制晶粒異常長大，構(gòu)建均勻細(xì)晶結(jié)構(gòu)，確保材料致密度與力學(xué)強(qiáng)度同步提升，增塑劑的長鏈分子插入氮化鋁顆粒間，降低漿料粘度并提高流動(dòng)性，確保復(fù)雜形狀成型的完整性，粘結(jié)劑的高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將氮化鋁顆粒有效粘結(jié)，形成高強(qiáng)度生坯，其極性基團(tuán)與顆粒表面羥基結(jié)合，增強(qiáng)界面結(jié)合力，減少干燥開裂風(fēng)險(xiǎn)，分散劑用于促進(jìn)氮化鋁顆粒分散，抑制團(tuán)聚體形成，為燒結(jié)提供均勻微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，粘結(jié)劑與分散劑的協(xié)同減少閉氣孔缺陷；稀土氮化物、稀土氧化物、氧化鋅組成增強(qiáng)劑，降低了氮化鋁陶瓷基板的介電常數(shù)，使低介電常數(shù)陶瓷能夠支持光通信模塊向高速率、高密度方向發(fā)展，推動(dòng)光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。