[发明专利]晶粒级配的氧化锆增韧氧化铝陶瓷基板及其制备工艺

说明书

本发明涉及一种晶粒级氧化锆增韧氧化铝陶瓷基板及其制备工艺，氧化铝粉为主相和氧化锆粉为第二相材料，镁铝尖晶石粉为烧结助剂，无水乙醇和丁酮二元共沸混合物作溶剂，磷酸酯作分散剂，聚乙烯醇缩丁醛作粘接剂，邻苯二甲酸二丁酯作增塑剂，氧化铝粉和氧化锆粉中氧化铝粉体积比为82.44%～96.7%，氧化锆粉为3.30%～17.56%，镁铝尖晶石粉占氧化铝粉和氧化锆粉总重量0.1～4.0%，氧化铝粉、氧化锆粉、镁铝尖晶石粉组成无机粉体，溶剂为无机粉体总重20～35%，分散剂为0.5～2.0%，粘接剂为5～15%，增塑剂为2～6%，氧化铝粉与氧化锆粉晶粒粒径比为2.415～4.444，能保证ZrO₂作为增韧相作用，不产生漏电流，能满足ZTA陶瓷覆铜基板和发热元件对力学与电学性能要求。

技术领域

本发明属于电子陶瓷基板制备技术领域，涉及一种高抗弯强度、高断裂韧性以及电学性能优良的氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷基板，具体涉及一种既能保证ZrO₂作为增韧相的作用，又不至于产生漏电流的问题，同时还能满足ZTA陶瓷覆铜基板和发热元件对力学与电学性能要求的晶粒级配的氧化锆增韧氧化铝陶瓷基板及其制备工艺。

背景技术

氧化锆增韧氧化铝（ZTA，Zirconia Toughened Alumina）陶瓷是以Al2O3为基体，部分稳定ZrO2为增韧相的一种复相陶瓷材料。ZTA陶瓷的机械性能介于Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷之间，既保留了Al2O3陶瓷高硬度和耐磨的特性，又有ZrO2陶瓷断裂韧性好和抗弯强度高的优点，且价格低于ZrO2陶瓷。氧化锆增韧氧化铝的主要机制是：由于ZrO2的热膨胀系数大于氧化铝，而且ZrO2的烧结温度低于Al2O3，所以ZrO2晶粒烧结完成以后处于张应力状态，有利于ZrO2四方相向单斜相产生马氏体相变，相变晶粒的剪切应力和体积膨胀对基体产生压应变，使裂纹扩展需要更大的能力，从而增加了ZTA陶瓷基体的韧性。由于ZTA陶瓷具有优良的散热性、绝缘性、抗热震性和机械强度，因此，ZTA陶瓷敷铜基板和发热元件在压力传感器、IGBT封装、DC～AC逆变器以及电子烟等领域中有广泛的应用。

普通的DBC覆铜板，以氧化铝陶瓷基板为载体，抗弯强度为380 Mpa左右。铜金属层厚度在300 μm时，55 ℃ ～ 150 ℃的温度循环次数在 50次左右。将ZTA 陶瓷基板用于DBC电路板时，由于其抗弯强度达到750 Mpa以上，比96%氧化铝陶瓷基板高一倍，铜金属层厚度在100 ～ 500 μm，可承受更高的载流容量。以铜厚300 μm为例，55 ℃ ～ 150 ℃温度循环次数超过200次。将ZTA陶瓷应用于发热元件时，能够比96%氧化铝陶瓷发热元件承受三倍以上的启动功率。

然而，ZrO2在ZTA陶瓷中作为增韧相的同时，也是导电相。当ZrO2含量超过一定量时，ZTA陶瓷敷铜电路板会出现漏电流，发热元件会发生击穿的现象。陶瓷材料的宏观性能是由材料的组成和显微结构决定的，因此，可以通过设计陶瓷的成分和晶粒结构来制造一种满足使用要求的材料。如何制备一种氧化锆增韧氧化铝陶瓷基板来既能保证ZrO2作为增韧相的作用，又不至于产生漏电流的问题，同时又能满足ZTA陶瓷覆铜基板和发热元件对力学与电学性能的要求是急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种根据威尔～弗兰模型和立方堆积排列原理分别推导出ZTA陶瓷中ZrO₂体积分数的公式，由公式计算出合理的ZrO₂的含量以及ZrO₂与Al₂O₃晶粒的最佳粒径之比的晶粒级配的氧化锆增韧氧化铝陶瓷基板及其制备工艺，其制备工艺采用流延成型工艺和常压烧结方法进行。

本发明的目的是这样实现的：