莫来石-氧化铝涂层增强氧化铝陶瓷基板制备及热导率_介电常数.pdf

2023年第7 期（第32 4期）1 佛山陶瓷93莫来石氧化铝涂层增强氧化铝陶瓷基板制备及热导率/介电常数潘宏伟（山东华邦建设集团有限公司，潍坊2 6 2 5 0 0)摘要：莫来石-氧化铝涂层可以显著提高氧化铝陶瓷基板的表面硬度和耐磨性，从而更好地保护基板表面。此外，该涂层还可以改善氧化铝陶瓷基板的耐高温性能，提高其在高温环境下的应用场景。本次研究中，相关工作人员详细探究莫来石-氧化铝涂层增强氧化铝陶瓷基板的制备方式，并利用测试确定其热导率以及介电常数，通过这种方式，以期为增强氧化铝陶瓷基板的物理、机械以及化学性能提供技术支持。关键词：氧化铝；莫来石-氧化铝涂层；介电常数1前言莫来石作为一种新型无机材料,其具有优异的导热性能和介电常数等特点，可被用于氧化铝陶瓷基板表面涂层的制备。而氧化铝是一种常见的绝缘材料,其介电常数高,但是热导率相对较低。因此,在现有技术中,通过涂层的方式在氧化铝陶瓷基板表面引入高热导率和适当介电常数的材料，可以提高氧化铝陶瓷基板整体性能。热导率和介电常数是衡量材料性能的重要指标。热导率的大小与物质内部分子运动和排列密切相关，而介电常数则控制了物质对电场的响应。通过对莫来石氧化铝涂层增强氧化铝陶瓷基板制备及其热导率和介电常数进行分析，可以更好地了解该涂层在氧化铝陶瓷基板表面上所起到的影响作用，帮助优化氧化铝陶瓷基板的性能,并推动其未来在各领域的应用。2预应力陶瓷基板制备流程预应力陶瓷基板是一种具有高强度和高韧性的材料,广泛应用于各种领域，如航天、电子、医疗等。为了进一步提高预应力陶瓷基板的性能，研究人员开始探索采用莫来石氧化铝涂层增强氧化铝陶瓷基板的方法。2.1制备氧化铝陶瓷基板氧化铝陶瓷基板是预应力陶瓷基板的主要组成部分,其制备过程包括以下几个基本步骤：作者简介：潘宏伟（1 9 9 0.8-)男，汉族，山东潍坊人，本科，工程师，研究方向：建筑工程施工技术与应用。2.1.1 材料准备首先需要准备氧化铝粉末、黏结剂和溶剂。通常使用的黏结剂是聚乙烯醇(PVA）,而溶剂则是水。2.1.2搅拌混合将氧化铝粉末、PVA和水按一定比例混合，并进行搅拌。在搅拌过程中,应控制好搅拌时间和速度，以确保混合均匀。2.1.3粘结成型将混合后的材料放入模具中，进行压制成型。在压制过程中，需要施加一定的压力和温度，并控制好保压时间。2.1.4烧结处理将成型后的氧化铝陶瓷基板放入炉中进行烧结处理。在烧结过程中，需要控制好温度和时间,以确保产生足够的结晶和致密度。2.2涂层制备莫来石一氧化铝涂层是增强氧化铝陶瓷基板性能的关键步骤,其制备过程包括以下几个基本步骤：2.2.1 材料准备首先需要准备莫来石粉末、氧化铝粉末、溶剂和表面活性剂。通常使用的溶剂是甲苯或丙酮,而表面活性剂则是十二烷基硫酸钠(SDS)。2.2.2搅拌混合将莫来石粉末、氧化铝粉末、溶剂和表面活性剂按一定比例混合,并进行搅拌。在搅拌过程中,应控制好搅拌时间和速度，以确保混合均匀。94FOSHAN CERAMICS I Vol.33No.07(Serial No.324)2.2.3涂层制备将混合后的材料涂在氧化铝陶瓷基板表面,并进行干燥处理。在干燥过程中,需要控制好温度和时间,以确保涂层均匀且没有裂缝。2.2.4烧结处理将涂有莫来石氧化铝涂层的氧化铝陶瓷基板放人炉中进行烧结处理。在烧结过程中，需要控制好温度和时间，以确保产生足够的结晶和致密度。2.3预应力处理预应力陶瓷基板的最后一步是进行预应力处理,其具体流程如下：2.3.1制备预应力陶瓷在涂层加工完成后，需要进行预应力处理。将经过涂层加工的氧化铝陶瓷基板放入预应力机中,施加一定的压力和拉伸力，使其产生预应力，这样可以增强氧化铝陶瓷基板的韧性和强度。2.3.2预应力陶瓷基板固化在预应力处理完成后，需要进行固化处理。将预应力陶瓷基板放人烤箱中进行高温固化处理，在固化过程中，需要控制好温度和时间，以确保陶瓷基板充分固化。2.3.3检验对预应力陶瓷基板进行检验,将预应力陶瓷基板进行物理性能测试,如拉伸强度、断裂韧性等。同时也要进行外观检查，以确保表面涂层和基板的质量符合要求。需要注意的是，在完成陶瓷基板表面的涂层之后，涂层之上可能会存在一定的残余应力。这种状态下，如果工人再对陶瓷基本进行加工作业，很可能导致原有的应力结构被破坏。针对这一问题,研究人员引入等双轴弯曲试验，通过该试验计算陶瓷基板的断裂强度。本次实验中,研究人员将加载速度设定为0.6 mm/min,其中加载环的直径为1 6 mm，支撑环的直径为38 mm。设陶瓷基板材料的弯曲强度为,其计算公式为：3FD-D9=1+u)n2元h22D2公式(1)中,代表陶瓷基板的断裂荷载,代表陶瓷基板样本的厚度，代表陶瓷基板样本的长度，为陶瓷基板的泊松比。本次试验中，代表加载环的直径，代表支撑环的直径。3预应力陶瓷基板热导率和介电常数氧化铝陶瓷基板由于其机械强度高、电学性质好、热学性能优越等特点，在众多领域得到了广泛的应用。其中,对于热学性质的要求，主要是为了保证其在高温环境下的稳定性和可靠性。因此,热导率需要较高,这样才能更好地承受高温环境下产生的热量，并将其分散到整个基板中。同时,热膨胀系数也需要与相关材料匹配，以避免因热胀冷缩而引起的热应力,从而影响基板的性能和寿命。在电学性质方面，氧化铝陶瓷基板需要具有较低的介电常数，这样可以减少信号传输时的信号衰减，提高信号的传输速率和精度。此外，较高的绝缘电阻和绝缘破坏电压也是必不可少的要求，可以保证其在高压电场下的安全性和可靠性3。同时,还需要在高温高湿等恶劣条件下保持性能的稳定性，以确保其在工作过程中不会因环境因素的变化而失效。莫来石是一种具有良好机械性能和电学性能的陶瓷材料，它的热膨胀系数接近硅的热膨胀系数，因此与硅具有良好的匹配性。莫来石在微电子制造中具有广泛的应用前景，在微电子领域，常常需要将不同的集成电路元件集成在一起,形成复杂的电路系统。然而,由于不同材料的热膨胀系数不同，当这些元件受到温度变化时，容易出现热应力，导致元件失效。为了解决这个问题，人们通常会使用中间层来缓冲不同材料之间的热应力，然而，中间层会增加信号传递的时间，从而降低整个电路系统的工作速度。而莫来石的低热膨胀系数和低介电常数可以很好地解决这个问题，它既能够缓冲不同材料之间的热应力，又能够保证信号传递的速度。事实上，莫来石基片的信号传递速度比常用的氧化铝基片更快，这是因为在基片的信号传递中，信号传递的时间和相对介电系数成正比，而莫来石的介电常数远低于氧化铝陶瓷，因此信号传递速度更快。3.1导热率测试本次研究中,相关工作人员基于相对法理论，确定陶瓷基板涂层导热系数与基体以及复合体导热系数之间的关系，借助这种方式在不破坏陶瓷基板涂层的前提下计算涂层导热系数。具体公式为：D(1)D.Jh入=(H+h)/2-H/2公式(2)中，代表陶瓷基板涂层导热系数，代表陶瓷基体的导热系数，代表陶瓷复合体的导热系数，代表陶瓷基体厚度，代表涂层厚度。其中,的计算公式为：(H+h)42(3)=HA-hA分析公式(2)与公式(3)可以发现，制备的莫来石-氧化铝涂层增强氧化铝陶瓷复合基板因存在低热导系数的莫来石可能会影响其整体的导热性。(2)2023年第7 期（第32 4期）1 佛山陶瓷95首先是基体的影响。基体是决定复合陶瓷基板导热性的关键因素之一。一般而言,单一材料的导热性与其晶格结构、原子间距、材料密度及材料组成有关，而对于复合材料，由于其具有多种不同的物理性质,其导热性则取决于各组分间的相互作用。例如，当一个高导热性的材料与一个低导热性的材料混合在一起时,会出现界面散射和反射现象，从而导致其整体导热性能下降。其次是涂层的热膨胀系数的影响。涂层是复合陶瓷基板的重要组成部分，其作用是增强基体的强度和硬度。但同时，涂层的热膨胀系数也会影响复合陶瓷基板的导热性能。当涂层与基体的热膨胀系数不同而温度变化时,会产生内应力，从而影响复合陶瓷基板的导热性能。最后是横截面积的影响。横截面积是指材料在垂直于传热方向的单位面积内所包含的物质量。对于相同材料，其横截面积越大，则其通过该方向的热量流量也就越大，导热性也就更好。因此，在设计和制备复合陶瓷基板时，需要尽可能增加其横截面积，以提高其导热性能。激光射频法是一种非接触式的热传导实验方法,其优点是具有高灵敏度、高精度和快速测量等特点，能够准确地测量复合陶瓷基板的导热系数。本次研究中,工作人员选取了不同组分的复合陶瓷基板进行测试，包括莫来石氧化铝涂层增强氧化铝陶瓷复合基板、碳化硅一氧化铝陶瓷复合基板等。通过实验结果发现，不同组分的复合陶瓷基板的导热系数存在差异。252015(￥/M）骨鲜1050分析图1 可以发现，碳化硅氧化铝陶瓷复合基板具有较好的导热性能，其导热系数达到了5 0 W/mK左右；而莫来石氧化铝涂层增强氧化铝陶瓷复合基板的导热系数则相对较低，仅为1 5 W/mK左右。研究人员进一步分析了造成这些差异的原因，在制备复合陶瓷基板时，需要选择高导热性的材料，并尽可能减少低导热性材料的使用,以提高其整体的导热性能。3.2介电常数测试陶瓷基板是一种重要的电子材料，广泛应用于电子元器件、集成电路等领域。在实际应用中，由于其节点常数的大小与信号传输延迟相关,因此需要将陶瓷基板的介电常数保持在较低水平，以提高电子设备的性能和稳定性。为了实现这一目标，本次研究中，相关工作人员采用了E49990A阻抗分析仪对预应力基板以及氧化铝基本的介电常数进行测验，该仪器可以精确地测量材料的电学特性,包括介电常数、电导率等。通过对不同类型的基板进行测试,研究人员得出了它们的介电常数,并对结果进行了分析和比较。随着莫来石含量的增加,涂层中的复合体的介电常数也会逐渐降低,这个过程可以被描述为一种材料学上的混合行为,其中不同材料的物理和化学特性相互作用，并最终导致材料整体性能的改变。此外，在涂层工艺中,通常需要考虑涂层的结构、厚度和成分等因素,以确保涂层的最终性能符合预期要求。4结论本研究成功地制备了莫来石氧化铝涂层增强的氧化铝陶瓷基板,并对其进行了热导率和介电常数的分析。结果表明，该涂层能够显著提高氧化铝陶瓷基板的热导率和介电常数,同时具有较好的机械性能和耐腐蚀性能。这一研究成果为氧化铝陶瓷基板在电子、光电、航空等领域的应用提供了新的思路和方法，具有重要的实际应用价值和推广意义。1吴昊龙,曹大可,李俊峰,邱岩,万德田,包亦望.莫来石涂层对氧化0100AI203M25-AM50-AM75-AM100-A图1 氧化铝基板及预应力氧化铝基板导热系数随温度变化趋势参考文献200300温度/400铝基体力学性能的影响 .硅酸盐学报,2 0 2 3,5 1(0 3):7 5 0-7 5 6.2郝鸿渐,李海燕,万德田,包亦望,李月明.莫来石/氧化铝预应力涂层增强氧化铝的弯曲强度和抗热震性能 J.无机材料学报,2 0 2 2,37(1 2):1 2 9 5-1 30 1.3陆琪,刘英坤,乔志壮,刘林杰,高岭.陶瓷基板研究现状及新进展 J.半导体技术,2 0 2 1,46(0 4):2 5 7-2 6 8.