流延法制备黑色氧化铝陶瓷基板工艺及其性能研究

摘要

黑色氧化铝陶瓷基板具有机械强度高、绝缘性及避光性好等优良综合性能，广泛应用于多层布线陶瓷基板、电子封装及高密度封装基板。而降低其烧结温度并呈现良好的黑色色泽则是制备过程中亟需解决的问题，这些问题的解决可以摆脱黑色氧化铝陶瓷封装元件依靠进口的局面。本文通过向氧化铝中添加烧结助剂及黑色色料，采用流延工艺成型，在较低的温度下烧结制备出呈色性佳及强度较好的黑色氧化铝陶瓷基板。分析了黑色色料的晶体结构及其成色机理；制定了合理的工艺参数，讨论了添加物及烧结温度等对黑色氧化铝基板收缩率、密度及抗弯强度等性能的影响。成功的研制出氧化铝陶瓷基板用Fe-Cr-Mn系黑色色料，在1250℃下保温2小时可以获得具有尖晶石结构的黑色色料，能有效避免高温挥发性，并呈现出良好的色泽；球磨4小时后的黑色色料，添加量为5％时，在1310℃～1330℃温度范围内烧结可呈现出均匀的黑色。 确定并优化了流延工艺参数：在球磨混料的第一阶段，经过22～24h的球磨混合后，可获得粒度混合均匀的陶瓷粉料；确定了适合叠层工艺的陶瓷生片中体积分数的最优化范围，提出了一种新的干燥方法—双面干燥工艺，可以改善单面干燥所带来的成分梯度问题；对陶瓷生片进行了热重分析，制定了合理的排胶工艺；经优化工艺制备的黑色氧化铝陶瓷具有良好的尺寸精度。

目录

摘要

Abstract

1 研究背景、目的及意义

1.1 Al_2O_3陶瓷的基本性质

1.1.1 α-Al_2O_3的晶体结构

1.1.2 Al_2O_3陶瓷的分类及性能

1.1.3 黑色Al_2O_3陶瓷的组成和性能

1.2 Al_2O_3陶瓷在电子行业中的应用

1.3 Al_2O_3陶瓷基板的制备方法

1.4 流延成型工艺的介绍

1.4.1 流延工艺主要成分及其作用机理

1.4.2 流延设备

1.5 Al_2O_3陶瓷基板的高温烧结

1.6 主要研究内容及工艺技术路线

1.6.1 课题的主要研究内容

1.6.2 工艺技术路线

2 实验内容及方法

2.1 实验药品和实验、测试仪器

2.1.1 实验用药品

2.1.2 实验仪器设备

2.1.3 测试仪器

2.2 黑色陶瓷着色色料的制备

2.2.1 黑色色料的制备

2.2.2 黑色色料的性能检测

2.3 流延法制备黑色 Al_2O_3陶瓷基片

2.3.1 Al_2O_3粉料的预处理

2.3.2 黑色氧化铝陶瓷基板的原料及配方

2.3.3 浆料的制备及流延

2.4 排胶及烧结工艺的制定

2.5 黑色氧化铝陶瓷性能测试

2.5.1 收缩率及抗弯强度的测定

2.5.2 烧结试样的吸水率、显气孔率及体积密度的测定

2.5.3 显微形貌分析

2.6 本章小结

3 实验结果与讨论

3.1 黑色陶瓷色料的制备工艺研究

3.1.1 Fe-Cr-Mn系黑色色料的晶体结构分析

3.1.2 黑色色料的粒度分布

3.2 Al_2O_3粉料处理及工艺参数的制定

3.2.1 球磨时间与 Al_2O_3粉粒径分布的关系

3.2.2 流延生带干燥工艺的制定

3.2.3 Al_2O_3陶瓷生带的性能检测及叠层

3.2.4 Al_2O_3陶瓷生坯的热重分析及排胶烧结工艺的制定

3.3 本章小结

4 黑色Al_2O_3陶瓷基板的性能检测

4.1 烧结助剂的含量对显微组织结构的影响

4.2 烧结温度对陶瓷收缩率、气孔率、密度的影响

4.3 烧结温度对陶瓷力学性能的影响

4.4 烧结气氛对显微组织结构的影响

4.5 黑色氧化铝陶瓷的尺寸均匀性

4.6 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

作者在校期间所撰写和发表的论文