有机添加剂对流延法制备氮化铝基片流变性能的影响

有机添加剂对流延法制备氮化铝基片流变性能的影响

1aln,beo,sic,si3n4研磨在过去的20.30年里，随着电子技术的快速发展，尤其是混合集成电路（hic）和多组振动器（mcm）的发展，人们对作为电路的重要支柱的陶瓷基板提出了更高的要求，并需要良好的导热性。目前广泛采用的A12O3陶瓷基片材料具有热导率较低、介电常数大、线胀系数与硅元件的线胀系数相差大等缺点,因此研究人员研究开发了AlN,BeO,SiC,Si3N4等以试图代替A12O3基片。其中AlN以高热导率、低介电系数、高电阻率及与硅相近的热膨胀系数和优良的机电性能而受到人们的重视,是目前最有希望的新一代高导热陶瓷基板和封装材料。陶瓷基片制备的核心技术是高质量基片坯体的成型,目前的成型方法主要有流延、干压、轧膜等,其中流延法具有生产效率高,自动化水平高,成型坯体性能的重复性和尺寸的一致性较高,是理想的陶瓷基板材料成型技术。稳定浓悬浮体的制备是流延成型出密度高且均匀、结构性能优良的坯体的前提,而溶剂和外加剂(如分散剂、粘结剂等)能够显著影响浆料流变性能,对稳定浓悬浮体的制备有着非常重要的作用。本文系统地研究了流延法制备氮化铝基片过程中有机添加剂对氮化铝浆料流变性能的影响,通过优化流延浆料添加剂的种类及各种配比,得出了适于流延成型的AlN浆料的较佳配方,制备出了具有较好柔韧性和一定强度的氮化铝流延素坯膜。2实验2.1y2o3混磨配方所用的AlN粉为实验室自蔓延法制得,经细磨处理后其粒度为1.50μm,比表面积为4.0846m2/g,在AlN粉中添加4wt%的Y2O3烧结助剂进行配料,在混合粉料中加入有机混合溶剂及分散剂进行初次球磨4h,使各种粉料在溶剂中充分分散悬浮,然后再加入粘结剂(聚乙烯醇缩丁醛)、塑性剂(邻苯二甲酸二丁脂)进行第二次混磨,使这些有机添加剂均匀分布并有效吸附于粉粒之上,形成稳定的流动性良好的浆料,然后加入除泡剂进行真空搅拌除泡,经流延机流延成型。2.2自然沉降和离心沉降相结合测试将AlN粉料在乙醇中超声分散后,用NSCH-1颗粒分析仪测定粉料的粒度及其分布。测试采用自然沉降和离心沉降相结合的方式进行。用美国库尔特公司OMNISORP100CX型比表面积和孔容分析仪测定混合粉体的比表面积。用NDJ-11型旋转式粘度计测定浆料的流变性能。剪切速率测定范围为0～600S-1,实验温度20℃。3结果与讨论3.1不同溶剂中aln颗粒流变性能图1所示为由四种不同的混合有机溶剂制备的40vol%AlN浆料的剪切应力与剪切速率的关系。图中标记点为实验测定值,用HershelBulkley模型对其进行拟合,实线为拟合所得曲线。由图可见,对不同有机混合溶剂制备的AlN浆料,拟合曲线与实验点均吻合较好,拟合的相关系数均大于0.999,这说明浆料的流动特性较好地符合HershelBulkley模型。图2所示为5vol%不同溶剂制备的悬浮体在10mL量筒中静置48小时后的沉降体积,反映了AlN颗粒在不同溶剂中的悬浮性能,由图1、图2可知,粉体在二甲苯与异丙醇的混合溶剂的悬浮性能最好,浆料流变性能也最好。cosФ=(γsv−γsl)/γlvcosФ=(γsv-γsl)/γlv式中,Ф为湿润角,γsv、γsl和γlv分别为固-汽、固-液和液-汽的表面张力。由该公式可知,在γsl不太高的情况下,γlv值越小,则Ф角越小,即湿润性能越好。二甲苯和异丙醇的混合溶剂的表面张力和介电常数等综合性能良好,且沸点低,对分散剂、粘结剂和塑性剂的溶解性能也较佳。3.2分散剂用量对产品屈服应力的影响粉料颗料在流延浆料中的分散性和均匀性直接影响素坯膜的质量和烧结性能,从而影响烧结膜的致密性、气孔率和机械强度等一系列特性。因此,选择合适的分散剂对制备性能良好的流延膜非常重要。图3所示为采用三种不同分散剂制备的AlN浆料屈服应力变化曲线。浆料屈服应力越小,浆料克服粒子相互吸引作用力越小,流动性越好。由图3可见,浆料的屈服应力值先随分散剂添加量的增加而减小,但当添加量高于2vol%之后,屈服应力值又逐渐增大,说明分散剂添加量的增加存在一最佳值,三种分散剂在掺量为2vol%时浆料流变性能均最佳,其中鲱鱼油掺量为2vol%时,浆料的屈服应力为9.124Pa.s,流变性能最佳。但鲱鱼油价格较贵,且不易购得,不适于工业大规模生产,故采用分散效果较佳的OP-85。实验采用非水性溶剂体系,分散剂的作用机理主要是空间位阻稳定机理,当分散剂用量过小时,分散剂在粒子表面的吸附不完全,粒子表面未被分散剂有效覆盖或吸附层厚度太薄,空间位阻作用较弱,粒子间排斥力较小,表现为浆料屈服应力较高,流动性较差。分散剂用量增加,将增大其对粒子的覆盖率或吸附层厚度,使浆料流动性明显改善,屈服应力不断下降,直至达到最低值,体系稳定性达到最佳。当分散剂用量大于粉体颗粒形成饱和吸附所需的量时,过量的分散剂会在粒子间架桥而导致絮凝,从而使浆料的流动性变差。3.3高固含量浆料粘度为提高素胚膜的强度和改善素胚膜的韧性及延展性,以便于与衬垫材料分离和方便拿放,在浆料中须加入粘结剂和塑性剂。图4所示为粘结剂用量对各固含量浆料粘度的影响。由图可见,随着粘结剂掺量的增加,低固含量浆料的粘度缓慢增大,而高固含量浆料的粘度急剧增大,说明粘结剂掺量变化对高固含量浆料粘度的影响更为显著。流延成型浆料粘度在1000～3000mPa.s较合适,粘度太小不适合成型要求,粘度太大不利于干燥时有机溶剂的挥发。在本研究中,固含量为45%、粘结剂掺量为3wt%时,浆料具有较佳的粘度。图5为固含量为45%、粘结剂掺量为3wt%时,浆料粘度随R值(塑性剂与粘结剂比值)的变化情况。由图可见,随R值的增大,浆料粘度显著降低。其原因是增塑剂小分子插入粘结剂聚乙烯醇缩丁醛(PVB)高分子链之间,增加了长链的距离,起到了润滑作用,从而降低了粘度。当增塑剂用量超过最佳掺量时,多余的增塑剂小分子将相互缠绕,而使浆料粘度增加,浆料流动性变差,因此R的最佳比值为1。4种分散剂添加量对浮鱼油浆料稳定性的影响1.在氮化铝陶瓷的流延素坯膜的制备过程中,混合溶剂二甲苯/异丙醇对粉料的润湿性能最好,粉体的悬浮性能