流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法及制得的AlN生瓷片

摘要

本发明公开了一种流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法，包括AlN多层用生瓷片、浆料制作方法和流延工艺，是将AlN粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂搅拌混合均匀，形成浆料，再通过流延的方法制得生瓷片，生瓷片厚度控制在0.300mm以下,所制作的生瓷片能满足多层布线基板制作要求。

说明书

技术领域

本发明涉及新型光电通讯材料领域，是电子陶瓷封装技术发展的重要领域之 一,具体涉及一种用于光电通讯行业的AlN生瓷片及其流延制备方法。

背景技术

电子信息、电力电子、半导体激光、光电行业等装备的多功能化和自动化程 度的日益提高要求电子线路系统必需具有功能完整、体积小、质量轻、高效率、 高功率密度等特性，因而促进了相关的电子器件朝着大功率、高集成化和微型化 方向迅速发展，很多产品需要在基板内部设计多层精密线路，从而达到电子器件 需求。同时，对与之配套的电子线路承载基板的质量也提出了更高的要求，尤其 是在热稳定性和热导率性能方面。传统的陶瓷承载基板主要有Al₂O₃、BeO。其中， Al₂O₃基板的热导率(20-30W/(m·K))低，散热性能达不到要求；BeO因价格昂 贵及剧毒而逐渐被淘汰。AlN以160-230W/(m·K)的高热导率、低介电常数、热 稳定性能良好等优点逐渐取代传统的Al₂O₃、BeO基板。目前，AlN基板已经在大 功率模块电路、半导体激光器和LED等领域显示巨大优越性，具有广泛市场空间。

AlN基板常见的成型方法有干压成型、注塑成型及流延成型(tape casting) 等，其中干压成型、注塑成型的基板不能满足内部多层布线要求，只有流延成型 工艺制作的生瓷片才能满足其内部多层布线的要求。此外，流延成型法还具有生 产效率高，成型坯体的重复性和尺寸一致性高等特点，适合于大面积、多种形状 基板和封装产品制作，是多层陶瓷生瓷片的理想成型方法。流延成型工艺分为水 基和非水基体系两种，水基体系流延技术的发明专利有：专利200910049377.5 (公开号101863071A)一种超高温陶瓷的水基流延方法和专利200410016144.2 (公开号1 1557776)水基流延法制作高热导率氮化铝陶瓷基板的方法。该工艺 存在AlN粉体须进行抗水解处理、浆料干燥时间长、干燥易出现微裂纹等不足。 目前水基流延技术还处于实验室研究阶段，未用于规模化生产。非水基体系流延 技术的发明专利有：专利200810224311.0(公开号101386539)氮化铝陶瓷材料 及其制作方法，专利200810142697.0(公开号101333114)一种高导热率氮化 铝陶瓷基片的制作方法和专利03100287.0(公开号1421418)高热导率氮化铝 陶瓷等。该工艺生产的流延生瓷片厚度一般为0.3mm以上，所获得的生瓷片主要 用来制作光基板(内部不含金属化线路)，且不适合多层基板(内部设计金属化 线路)制作需求。

光电通讯行业的AlN多层基板一般需要通过流延方法制备生瓷片,然后在经 过后道工艺加工为多层基板,具体如下所示:AlN多层基板制作过程采用流延技术 制作适合多层的生瓷片(厚度0.3mm以下)，然后再通过对生瓷片冲孔开腔、通 孔填充浆料(钨浆等)、导带印制线路(钨浆等)、叠片等工艺制成为一定厚度的 多层生瓷片，再通过排胶、烧结等工艺制成为多层AlN陶瓷基板。目前AlN多层 布线工艺技术最多可达30层以上，满足电子器件朝着大功率、高集成化和微型 化方向迅速发展的电路布线要求，但该技术对生瓷片的质量要求很高，例如：1) 生瓷片要具有一定的强度和柔韧性，易于冲孔开腔；2)生瓷片的收缩与金属化 浆料的收缩相匹配；3)工艺过程中添加的粘结剂等有机物易在惰性或者还原气 氛下低温分解排尽；4)生瓷片的厚度一般控制为0.05～0.300mm；5)生瓷片厚 度均一性好，厚度公差可控性好等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷 片的方法及制备出的AlN生瓷片，所制作的生瓷片能满足光电通讯行业多层布线 基板制作需求。

本发明的技术方案如下：

一种流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法，其特征在于： 将AlN粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂搅拌混合均匀，形成浆 料，再通过流延的方法制得生瓷片，生瓷片厚度控制在0.300mm以下，具体制作 步骤如下：

1)将烧结助剂、分散剂和流延添加溶剂混合进行第一次球磨；

2)将AlN粉体加入第一次球磨体系中，再进行第二次球磨；

3)在上述球磨后混合体系中加入粘结剂和增塑剂，进行第三次球磨；

4)待第三次球磨结束后，将浆料转移到真空脱泡系中统进行脱泡；

5)将脱泡后浆料进行流延，得到流延膜；

6)将流延膜在干燥制度下进行干燥，得到流延生瓷片；

7)通过分切检验，得到所需尺寸的生瓷片。

所述的流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法，其特征在于， 具体包括以下步骤：

1)将称量好的烧结助剂和分散剂加入到混合均匀的多元溶剂中进行第一次 球磨，球磨的转速为30～60r/min，时间为20～150min；

2)将称量好的AlN粉体加入到上述1)球磨后的混合液中，进行第二次球磨； 球磨的转速为50～80r/min，时间为60～300min；

3)在上述2)球磨后粉体混合液中分别加入粘结剂和增塑剂，搅拌混合进行 第三次球磨，球磨的转速为50～80r/min，时间为600～1200min；

4)测试3)步骤球磨后浆料的粘度，球磨后粘度控制在1000～6000mPa.s， 然后将浆料转移到真空脱泡系统中进行脱泡，真空度控制-25PSI，搅拌速率为 30～120r/min,脱泡时间30～400min，脱泡后粘度控制在2000～10000mPa.s；

5)将脱泡后浆料加压到流延槽中，通过调整流延刮刀间隙比控制流延生瓷 片厚度，从而得到不同厚度流延膜；

6)将流延膜在不同温区中进行干燥，通过上加热、下加热和风热的方式控 制升温干燥速率。为了取得性能稳定和质量好的生瓷片，优选干燥制度为阶段升 温加热和阶段冷却降温方式，主要防止生瓷片因升(降)速率过快而导致生瓷片 的开裂、微裂纹以及翘曲等缺陷。温区设置干燥制度为：第一温区温度为25～45 ℃，第二温区温度为40～60℃，第三温区温度为55～70℃，第四温区温度为60～100 ℃，第五温区温度为45～70℃，第六温区温度为25～50℃。

所述的流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法，其特征在 于：

所述AlN粉体要求平均粒度为0.8～2.5μm之间，比表面积为2～4.5㎡/g， 氧含量小于0.9％；

所述的烧结助剂为稀土金属氧化物、碱土金属氧化物Y2O3、CaO、MgO中的 一种或两种；

所述分散剂为油酸、三油酸甘油酯、鱼油、丙烯酸树脂等一种或两种；

所述粘结剂为聚碳酸亚丙脂树脂；

所述增塑剂为邻苯二甲酸二甲酯(DMP)和邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)一种或 两种；

所述溶剂为异丙醇、丙酮、丁酮、乙醇中的多元混合体系。

所述的流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法，其特征在于：

所述的AlN粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂、增塑剂、溶剂的质量比可根 据流延厚度进行配比。

所述的流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法，其特征在于：

所述的AlN粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂、增塑剂、溶剂的质量比为1： 0.03～0.07：0.01～0.03：0.05～0.30：0.03～0.05：0.70～0.90。

本方法制备的用于光电通讯行业的AlN生瓷片。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明采用丙酮、丁酮、异丙醇等多元溶剂体系，可以防止浆料中溶剂在 某一温区内短时挥发，从而影响生瓷片的内部质量；多元溶剂取代了传统的苯、 甲苯为主的溶剂体系，减少有毒气体排放，减少环境污染，降低生产成本。

2.本发明使用聚碳酸亚丙脂树脂粘结剂代替聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，该在惰 性气氛易分解,且分解温度低(450℃以下)，分解产物为二氧化碳和水，排胶后 的多层生瓷片中碳杂质含量低，有利于提高多层基板的性能,克服了传统粘结剂 在该气氛下分解不彻底,碳残留量高,影响基板性能；

3.本发明采取三次球磨法，保证烧结助剂、粉体、分散剂、粘结剂、增塑 剂分散均匀，浆料的一致性好，该工艺过程中所用球磨介质和球磨罐材质耐磨性 好，磨损量低，严格控制杂质的引入；

4.本发明干燥加热采取上加热、下加热和风热三种方式加热，从而保证了生 瓷片上下受热均匀，生瓷片挥发的溶剂能够被及时带走；同时，采取分段降温法， 减少了温度骤降对生瓷片性能的不利影响，减少生瓷片边缘的翘曲；

5.本发明生产的生瓷片强度高、柔韧性好、表面光洁度好、厚度均一性好、 能很好地满足AlN多层印制叠片的要求，同时，本发明的生瓷片产品厚度在 0.100mm～0.300mm，满足30层多层基板的生瓷片印制线路、打孔和开腔等处理 要求。

附图说明

图1为本发明的流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法的工 艺流程图。

具体实施方式

实施例一

流延0.100mm厚生瓷片

AlN粉体的平均粒度为1.2μm，比表面积(BET)为3.4㎡/g,氧含量＜0.9％(重 量百分比)，Y₂O₃、CaO粉体粒径都在0.8～3.0μm范围内。

本例按照以下配比进行配料：

AlN粉体重量百分比为47％

烧结助剂重量百分比为2.5％

分散剂重量百分比为0.95％

粘结剂重量百分比为8.5％

多元溶剂重量百分比为37.3％

增塑剂百分比为3.75％

1)配制3.5kg批次进行流延。按照上述比例称量分散剂、烧结助剂和多元 溶剂。将溶剂混合后倒入球磨罐中，再将烧结助剂和分散剂分别加入到多元溶剂 中搅拌。混合后进行第一次球磨，球磨的转速为40r/min，时间为120min；

2)将称量好的AlN粉体加入到上述1)球磨后的混合液中，进行第二次球 磨；球磨的转速为70r/min，时间为240min；

3)在上述2)球磨后粉体混合液中分别加入粘结剂和增塑剂，搅拌混合进行 第三次球磨，球磨的转速为60r/min，时间为960min；

4)球磨结束后测试3)步骤球磨后浆料的粘度，球磨后粘度为1800mPa.s (T＝303K)；然后将浆料过滤转移到真空脱泡系统中进行脱泡；真空度控制在 -20PSI，搅拌速率为60r/min,脱泡时间20min，脱泡后粘度控制在2260mPa.s；

5)将脱泡后浆料加压到流延槽中，流延刮刀间隙为0.37mm；

6)设置上加热、下加热和风热温区温度，以及流延带速和液面高度。具体 参数设置如表1

初始粘度 脱泡粘度 脱泡时间 Marly厚度 带速 液面高度 刮刀间隙 1800mPa.s 2260mPa.s 20min 75μm 40cm/min 20cm 0.37mm 温区 Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5 Zone 6 风热 30 40 55 60 50 30 上加热 40 50 60 75 60 40

下加热 40 55 70 80 60 40

流延生瓷带经过分切检验得出：

平均厚度：0.104mm；

厚度偏差：≤±5％；

生瓷片密度：2.07g/cm³；

X、Y方向收缩比：1.192；

Z方向收缩比：1.213；

实施例二

流延0.168mm厚生瓷片

AlN粉体的平均粒度为1.2μm，比表面积(BET)为3.4㎡/g,氧含量＜0.9％(重 量百分比)，Y₂O₃、CaO粉体粒径都在0.8～3.0μm范围内。

本例按照以下配比进行配料：

AlN粉体重量百分比为47％

烧结助剂重量百分比为2.5％

分散剂重量百分比为0.95％

粘结剂重量百分比为8.5％

多元溶剂重量百分比为37.3％

增塑剂百分比为3.75％

1)配制3.5kg批次进行流延。按照上述比例称量分散剂、烧结助剂和多元 溶剂。将溶剂混合后倒入球磨罐中，再将烧结助剂和分散剂分别加入到多元溶剂 中搅拌，混合后进行第一次球磨，球磨的转速为40r/min，时间为120min；

2)将称量好的AlN粉体加入到上述1)球磨后的混合液中，进行第二次球磨， 球磨的转速为70r/min，时间为240min；

3)在上述2)球磨后粉体混合液中分别加入粘结剂和增塑剂，搅拌混合进行 第三次球磨，球磨的转速为60r/min，时间为960min；

4)球磨结束后测试3)步骤浆料的粘度，球磨后粘度为2320mPa.s(T＝303K)， 然后将浆料过滤转移到真空脱泡系统中进行脱泡；真空度控制在-20PSI，搅拌速 率为60r/min,脱泡时间30min，脱泡后粘度控制在2850mPa.s；

5)将脱泡后浆料加压到流延槽中，流延刮刀间隙为0.55mm；

6)设置上加热、下加热和风热温区温度，以及流延带速和液面高度。具体 参数设置如表2

初始粘度 脱泡粘度 脱泡时间 Marly厚度 带速 液面高度 刮刀间隙 2320mPa.s 2850mPa.s 30min 75μm 40cm/min 20cm 0.55mm 温区 Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5 Zone 6 风热 30 45 60 60 50 30 上加热 40 55 60 75 60 40 下加热 40 60 70 85 60 40

流延生瓷带经过分切检验得出：

平均厚度：0.162mm；

厚度偏差：≤±5％；

生瓷片密度：2.05g/cm³；

X、Y方向收缩比：1.198；

Z方向收缩比：1.215；

实施例三

流延0.270mm厚生瓷片

AlN粉体的平均粒度为1.2μm，比表面积(BET)为3.4㎡/g,氧含量＜0.9％(重 量百分比)，Y₂O₃、CaO粉体粒径都在0.8～3.0μm范围内。

本例按照以下配比进行配料：

AlN粉体重量百分比为48.3％

烧结助剂重量百分比为2.58％

分散剂百分比为0.97％

粘结剂百分比为5.8％

多元溶剂重量百分比为38.4％

增塑剂百分比为3.95％

1)配制7kg批次进行流延。按照上述比例称量分散剂、烧结助剂和多元溶 剂。将溶剂混合后倒入球磨罐中，再将烧结助剂和分散剂分别加入到多元溶剂中 搅拌。混合后进行第一次球磨，球磨的转速为40r/min，时间为120min；

2)将称量好的AlN粉体加入到上述1)球磨后的混合液中，进行第二次球磨， 球磨的转速为70r/min，时间为240min；

3)在上述2)球磨后粉体混合液中分别加入粘结剂和增塑剂，搅拌混合进行 第三次球磨，球磨的转速为60r/min，时间为960min；

4)球磨结束后测试3)步骤浆料的粘度，球磨后粘度为1250mPa.s(T＝303K)， 然后将浆料过滤转移到真空脱泡系统进行脱泡，真空度控制在-25PSI，搅拌速率 为60r/min,脱泡时间90min，脱泡后粘度一般控制在4850mPa.s；

5)将脱泡后浆料加压到流延槽中，流延刮刀间隙为0.740mm；

6)设置上加热、下加热和风热温区温度，以及流延带速和液面高度。具体 参数设置如表3

初始粘度 脱泡粘度 脱泡时间 Marly厚度 带速 液面高度 刮刀间隙 1250mPa.s 4850mPa.s 90min 125μm 25cm/min 30cm 0.74mm 温区 Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5 Zone 6 风热 30 40 55 60 50 30 上加热 40 50 65 75 70 40 下加热 40 55 75 85 70 40

流延干燥出来的生瓷带经过分切检验得出：

平均厚度：0.274mm；

厚度偏差：≤±5％；

生瓷片密度：2.10g/cm³；

X、Y方向收缩比：1.203；

Z方向收缩比：1.218。