CN112573926A - 氮化铝导体材料及氮化铝全陶瓷加热结构器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化铝导体材料及其制得的氮化铝全陶瓷加热结构器件，氮化铝导体材料和绝缘氮化铝材料由氮化铝粉体、助烧剂、分散剂、粘结剂、有机溶剂和金属粉体制备获得。本氮化铝导体材料的密度低、热容量低、能耗低而热辐射系数高、电热效率高、热膨胀系数小、很强的抗电场强度能力、高温下不变形、使用寿命长、温升速度快、显著的抗氟氧腐蚀、优秀的热震阻抗能力、耐久性和均匀热分布。
Description
技术领域
本发明涉及氮化铝制品领域，尤其是涉及一种氮化铝全陶瓷加热结构器件。
背景技术
氮化铝除了拥有完美的热传导，也具有显著的抗氟氧腐蚀、优秀的热震阻抗能力、耐久性以及均匀热分布等，使其在半导体工艺制程中广泛应用。而氮化铝陶瓷是氮化铝的应用中所产生的一种重要材料。
氮化铝陶瓷是一种综合性能优良的新型陶瓷材料，是新一代半导体制造、电子器件封装的理想材料。其性能优良：具有高热导率、高电绝缘性、低介电常数和损耗、无毒以及与硅相匹配的热膨系数。随着半导体制造、电子信息和电力电子技术不断地向高集成化、高速度化、微型化、智能化的方向发展，并且在大规模集成电路制造工艺中广为应用，对氮化铝陶瓷材料的应用开发越为广泛。
但常见的氮化铝陶瓷材料难以有效直接导电，其如果希望制作成导电加热器件通常需要配合金属电阻制作，但是传统金属电阻加热体具有很多不足，具体地有金属电阻密度高，热容量较高，需要较大功率；金属电阻与陶瓷共烧，有较大的介电损耗，加热不均匀，使用寿命短；金属电阻与陶瓷不能均匀烧结，使用过程中，陶瓷容易炸裂；电热效率低，温度高时，电阻增大，功率下降，耗电大；陶瓷内置金属电阻，温度均匀性难以保障，同一温度温度差大，难以在温差精度要求高的场景使用，如半导体制造、特殊工业加热场景等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化铝导体材料及氮化铝全陶瓷加热结构器件，可以解决上述问题中的一个或者多个。
根据本发明的一个方面，提供了一种氮化铝导体材料，由氮化铝粉体、助烧剂、分散剂、粘结剂、有机溶剂和金属粉体制备获得。
本氮化铝导体材料的有益效果是：本氮化铝导体材料的密度低、热容量低、能耗低而热辐射系数高、电热效率高、热膨胀系数小、很强的抗电场强度能力、高温下不变形、使用寿命长、温升速度快、显著的抗氟氧腐蚀、优秀的热震阻抗能力、耐久性和均匀热分布。
在一些实施方式中，所述氮化铝粉体为碳还原法或直接氮化法生成的氮化铝粉体。
在一些实施方式中，所述助烧剂为Dy2O3、CaO、Li2O、YF3或者CaF2中的一种或者多种混合。
在一些实施方式中，所述分散剂为鱼油、蓖麻油或者三油酸甘油脂中的一种或者多种混合，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。
在一些实施方式中，所述有机溶剂为丁酮或者无水乙醇中的一种或者两种混合。
在一些实施方式中，所述金属粉体为Ti、Mo、Ta、NiCo或者W中的一种或者多种混合。
根据本发明的一个方面，提供一种氮化铝导体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤a：将氮化铝粉体、助烧剂、分散剂、粘结剂、有机溶剂和金属粉体通过球磨机进行10-30小时的均匀混合，得到浆料，将所述浆料进行真空除泡处理，并在≤150℃下烘干，得到粉末状混合物；
步骤b：将所述粉末状混合物置于模具内，并通过干压机或压力成型机于模具中成型得到素坯；
步骤c：将所述素坯置于排胶炉中，在≤800℃的温度下，氮气氛围中进行排胶处理，以排除所述素坯中的各种有机物，从而获得陶瓷素坯；
步骤d：将所述陶瓷素坯置于石墨烧结炉或金属真空烧结炉内，在1600℃ -1860℃的温度下烧结4-6小时，获得氮化铝导体材料。
本氮化铝导体材料的制备方法的有益效果是：通过本氮化铝导体材料的制备方法能使得金属粉体紧密地结合于氮化铝粉体内，以使得本氮化铝导体材料具有优秀的导电性，同时，还能保证其强度、导电性和热分布的均匀。
根据本发明的一个方面，提供一种氮化铝全陶瓷加热结构器件，包括权利要求1所述的氮化铝导体材料和绝缘氮化铝材料，所述绝缘氮化铝材料由由氮化铝粉体、助烧剂、粘结剂和有机溶剂制备获得。
氮化铝全陶瓷加热结构器件的有益效果是：氮化铝全陶瓷加热结构器件中的氮化铝导体材料和绝缘氮化铝材料全采用了氮化铝粉体来制备，且其掺杂的氮化铝导体绝缘能有效形成绝缘保护，其掺杂的氮化铝导体，容易进行图形化设计，并且能与绝缘氮化铝材料共烧一体，紧密相互共融热压烧结为一体。其具有密度低、热容量低、介电损耗低、加热寿命长、显著的抗氟氧腐蚀、优秀的热震阻抗能力、耐久性和均匀热分布。
在一些实施方式中，所述绝缘氮化铝材料的制备方法为将氮化铝粉体、助烧剂，与溶剂、分散剂、粘结剂和有机助剂通过球磨机5-20小时的均匀混合后，获得混合物，再对所述混合物进行喷雾干燥造粒或者直接将所述混合物在≤90℃的温度下烘干后破碎、造粒，获得绝缘氮化铝材料。
根据本发明的一个方面，提供一种氮化铝全陶瓷加热结构器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤e：取氮化铝导体材料，于所述氮化铝导体材料上覆盖一层绝缘氮化铝材料，再在此基础上，再次覆盖一层绝缘氮化铝材料，得到三层层压体，将所述三层层压体进行干压处理，压制成型为一体，获得胚体。
步骤f：将所述胚体，于热压烧结炉内在1600℃-1860℃的温度下烧结4-6 小时，获得氮化铝全陶瓷加热结构器件。
本氮化铝全陶瓷加热结构器件的制备方法的有益效果是：由此，通过本氮化铝全陶瓷加热结构器件的制备方法，能使得氮化铝导体材料和绝缘氮化铝材料能充分结合在一起，且氮化铝导体材料能起导电加热作用，而绝缘氮化铝材料能形成为绝缘外壳，起绝缘保护作用，来提高氮化铝全陶瓷加热结构器件的使用安全性。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的氮化铝全陶瓷加热结构器件的正视图。
图2为图1的氮化铝全陶瓷加热结构器件的后视图。
图3为图1的氮化铝全陶瓷加热结构器件的左视图的剖视图。
图中：1.氮化铝导体材料和2.绝缘氮化铝材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例的氮化铝导体材料，由氮化铝粉体、助烧剂、分散剂、粘结剂、有机溶剂和金属粉体制备获得。
其中氮化铝粉体可以为碳还原法或直接氮化法生成的氮化铝粉体，其 D50＝1.2-1.9um。
助烧剂可以为Dy2O3、CaO、Li2O、YF3或者CaF2中的一种或者多种混合，本实施例中助烧剂优选为Dy2O3。
分散剂可以为鱼油、蓖麻油或者三油酸甘油脂中的一种或者多种混合，本实施例中，分散剂优选为蓖麻油。
粘结剂优选为聚乙烯醇缩丁醛。
有机溶剂可以为丁酮或者无水乙醇中的一种或者两种混合，本实施例中，有机溶剂优选为丁酮和无水乙醇的混合物。
金属粉体可以为Ti、Mo、Ta、NiCo或者W中的一种或者多种混合，本实施例中，金属粉末优选为Ti、Mo和Ta的混合物。
另外，氮化铝、Dy2O3、Ti、Mo和Ta的重量百分含量分别为75.0％、5.0％、 5.0％、6.0％和9.0％。
该氮化铝导体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤a：将氮化铝粉体、助烧剂、分散剂、粘结剂、有机溶剂和金属粉体通过球磨机进行20小时的均匀混合，得到浆料，将浆料进行真空除泡处理，并在≤150℃下烘干，得到粉末状混合物；
步骤b：将所述粉末状混合物置于模具内，并通过干压机或压力成型机于模具中成型得到素坯；
步骤c：将所述素坯置于排胶炉中，在580℃的温度下，氮气氛围中进行排胶处理，以排除所述素坯中的各种有机物，从而获得陶瓷素坯；
步骤d：将所述陶瓷素坯置于石墨烧结炉内，在1850℃的温度下烧结6 小时，获得氮化铝导体材料。
实施例2
本实施例的绝缘氮化铝材料是由氮化铝粉体、助烧剂、粘结剂和有机溶剂制备获得。
其中氮化铝粉体可以为碳还原法或直接氮化法生成的氮化铝粉体，其 D50＝1.2-1.9um。
助烧剂可以为Dy2O3、CaO、Li2O、YF3或者CaF2中的一种或者多种混合，本实施例中助烧剂优选为Dy2O3。
分散剂可以为鱼油、蓖麻油或者三油酸甘油脂中的一种或者多种混合，本实施例中，分散剂优选为蓖麻油。
粘结剂优选为聚乙烯醇缩丁醛。
有机溶剂可以为丁酮或者无水乙醇中的一种或者两种混合，本实施例中，有机溶剂优选为丁酮和无水乙醇的混合物。
另外，氮化铝、Dy2O3的重量百分含量为95.0％和5.0％。
该绝缘氮化铝材料的制备方法具体为将氮化铝粉体、助烧剂，与溶剂、分散剂、粘结剂和有机助剂通过球磨机10小时的均匀混合后，获得混合物，再对所述混合物进行喷雾干燥造粒或者直接将所述混合物在≤90℃的温度下烘干后破碎、造粒，即可获得绝缘氮化铝材料。
实施例3
参考图1、图2和图3，本实施例的氮化铝全陶瓷加热结构器件，包括氮化铝导体材料1和绝缘氮化铝材料2。
氮化铝全陶瓷加热结构器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤e：取实施例1中制备获得的氮化铝导体材料1，取实施例2中制备获得的绝缘氮化铝材料2，于所述氮化铝导体材料1上覆盖一层绝缘氮化铝材料2，再在此基础上，再次覆盖一层绝缘氮化铝材料2，得到三层层压体，将所述三层层压体进行干压处理，压制成型为一体，获得胚体。
步骤f：将所述胚体，于热压烧结炉内在1860℃的温度下烧结6小时，获得氮化铝全陶瓷加热结构器件。
本方法所制备获得的氮化铝全陶瓷加热结构器件还能经过外形修饰，即通过研磨加工、机械加工、激光加工等工艺，来获得不同的设计尺寸和功能的氮化铝陶瓷加热导器件。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.氮化铝导体材料，其特征在于，由氮化铝粉体、助烧剂、分散剂、粘结剂、有机溶剂和金属粉体制备获得。
2.根据权利要求1所述的氮化铝导体材料，其特征在于，所述氮化铝粉体为碳还原法或直接氮化法生成的氮化铝粉体。
3.根据权利要求1所述的氮化铝导体材料，其特征在于，所述助烧剂为Dy2O3、CaO、Li2O、YF3或者CaF2中的一种或者多种混合。
4.根据权利要求1所述的氮化铝导体材料，其特征在于，所述分散剂为鱼油、蓖麻油或者三油酸甘油脂中的一种或者多种混合，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。
5.根据权利要求1所述的氮化铝导体材料，其特征在于，所述有机溶剂为丁酮或者无水乙醇中的一种或者两种混合。
6.根据权利要求1所述的氮化铝导体材料，其特征在于，所述金属粉体为Ti、Mo、Ta、NiCo或者W中的一种或者多种混合。
7.根据权利要求1所述的氮化铝导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：将氮化铝粉体、助烧剂、分散剂、粘结剂、有机溶剂和金属粉体通过球磨机进行10-30小时的均匀混合，得到浆料，将所述浆料进行真空除泡处理，并在≤150℃下烘干，得到粉末状混合物；
步骤b：将所述粉末状混合物置于模具内，并通过干压机或压力成型机于模具中成型得到素坯；
步骤c：将所述素坯置于排胶炉中，在≤800℃的温度下，氮气氛围中进行排胶处理，以排除所述素坯中的各种有机物，从而获得陶瓷素坯；
步骤d：将所述陶瓷素坯置于石墨烧结炉或金属真空烧结炉内，在1600℃-1860℃的温度下烧结4-6小时，获得氮化铝导体材料。
8.氮化铝全陶瓷加热结构器件，其特征在于，包括权利要求1所述的氮化铝导体材料和绝缘氮化铝材料，所述绝缘氮化铝材料由氮化铝粉体、助烧剂、粘结剂和有机溶剂制备获得。
9.根据权利要求8所述的氮化铝全陶瓷加热结构器件，其特征在于，所述绝缘氮化铝材料的制备方法为将氮化铝粉体、助烧剂，与溶剂、分散剂、粘结剂和有机助剂通过球磨机5-20小时的均匀混合后，获得混合物，再对所述混合物进行喷雾干燥造粒或者直接将所述混合物在≤90℃的温度下烘干后破碎、造粒，获得绝缘氮化铝材料。
10.根据权利要求8所述的氮化铝全陶瓷加热结构器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤e：取氮化铝导体材料，于所述氮化铝导体材料上覆盖一层绝缘氮化铝材料，再在此基础上，再次覆盖一层绝缘氮化铝材料，得到三层层压体，将所述三层层压体进行干压处理，压制成型为一体，获得胚体。
步骤f：将所述胚体，于热压烧结炉内在1600℃-1860℃的温度下烧结4-6小时，获得氮化铝全陶瓷加热结构器件。
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