專利名稱：一種超材料介質(zhì)基板材料及其制備方法
一種超材料介質(zhì)基板材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及一種超材料的介質(zhì)基板材料及其制備方法。背景技術(shù)：
超材料一般由多個超材料功能板層疊或按其他規(guī)律陣列組合而成，超材料功能板包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有超材料的介質(zhì)基板為均一材質(zhì)的有機或無機基板，如FR4、TPl等等。陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性,能對電場或磁場產(chǎn)生電磁響應(yīng),通過對人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進行精確設(shè)計和控制，可以使超材料呈現(xiàn)出各種一般材料所不具有的電磁特性，如能匯聚、發(fā)散和偏折電磁波等。高電阻率、高熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)是對封裝用基板的最基本要求。封裝用基板還·應(yīng)與硅片具有良好的熱匹配性能，并且易成型、表面平整度高、易金屬化、易加工、成本低、具有一定的力學(xué)性能。大多數(shù)陶瓷是離子鍵或共價鍵極強的材料，具有優(yōu)異的綜合性能，是電子封裝中常用的基板材料，具有較高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，同時線膨脹系數(shù)與電子元器件非常相近，化學(xué)性能穩(wěn)定、熱導(dǎo)率高，已成為高溫大功率射頻封裝應(yīng)用廣泛的一種重要的新型無毒封裝材料。氮化鋁陶瓷具有極好的高溫穩(wěn)定性，很好的導(dǎo)熱性能以及與硅、碳化硅和砷化鎵等材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，受到世界各國的青睞，其研究與開發(fā)已經(jīng)取得令人矚目的進展。氣化招是一種原子晶體，屬類金剛石氣化物，最聞可穩(wěn)定到220CTC。室溫強度聞，且強度隨溫度的升高下降較慢。導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料。抗熔融金屬侵蝕的能力強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料。氮化鋁還是電絕緣體，介電性能良好。氮化鋁粉的制備方法主要有三氧化二鋁碳熱還原法和化學(xué)氣相沉積法，三氧化二鋁碳熱還原法，能夠大量合成純度較高的氮化鋁粉，已經(jīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，但此方法為劇烈的放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程難以控制，產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定，制備的氮化鋁粉往往有自燒結(jié)現(xiàn)象，得到的氮化鋁粉末粒徑較大，粒度分布范圍較寬?；瘜W(xué)氣相沉積法合成的產(chǎn)品純度較高，但所用原料硅烷鋁的價格昂貴，不適于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。聚酰亞胺是綜合性能最佳的有機高分子材料之一，耐高溫達400°C以上，長期使用溫度范圍-200 300°C，無明顯熔點，絕緣性能高，103赫下介電常數(shù)4.0，介電損耗僅
O.004 O. 007，屬F至H級絕緣材料。聚酰亞胺作為一種特種工程材料，已廣泛應(yīng)用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。各國都在將聚酰亞胺的研究、開發(fā)及利用列為21世紀(jì)最有希望的工程塑料之一。聚酰亞胺，因在性能和合成方面的突出特點，不論是作為結(jié)構(gòu)材料還是作為功能性材料，其巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)得到充分的認識，被稱為是“解決問題的能手”(protion solver)，并認為“沒有聚酰亞胺就不會有今天的微電子技術(shù)”。綜上所述，充分利用氮化鋁與聚酰亞胺的特點，開發(fā)一種制備工藝簡單、導(dǎo)熱性能好、介電常數(shù)低、具有優(yōu)越力學(xué)性能的超材料介質(zhì)基板材料勢在必行。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超材料的介質(zhì)基板材料及其制備方法，此方法生產(chǎn)工藝簡單，制備的超材料介質(zhì)基板材料具有介電常數(shù)低、導(dǎo)熱性能好、力學(xué)性能優(yōu)越等特點，利于大規(guī)模生產(chǎn)，擁有良好的開發(fā)與應(yīng)用前景。本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的首先提供一種超材料的介質(zhì)基板材料及其制備方法，包括以下步驟101.制備氮化鋁粉末； 102.將上述步驟得到的氮化鋁粉末與聚酰亞胺乳液在常溫下混合攪拌均勻，提取氮化鋁-聚酰亞胺膜，得到超材料的介質(zhì)基板材料。步驟101制備氮化鋁粉末包括以下步驟1011.原料的制備將硝酸鋁、蔗糖、聚乙二醇、尿素、去離子水的混合溶液置于燒杯中，將燒杯放入恒溫水浴鍋內(nèi)，邊攪拌邊滴加氨水溶液，得到氧化鋁溶膠體；1012.前驅(qū)體的制備將步驟1011得到的氧化鋁溶膠體加熱，使溶膠體中的水分蒸發(fā)，真空干燥形成凝膠體，得到氮化鋁前驅(qū)體；1013.前驅(qū)體的碳熱還原氮化反應(yīng)將步驟1012得到的氮化鋁前驅(qū)體在惰性氣氛的中緩慢加熱，得到三氧化二鋁和碳的兩相混合物，將混合物在流動的氨氣氣氛中微波加熱發(fā)生碳熱還原氮化反應(yīng)；1014.除碳將步驟1013得到的混合物在干燥的空氣中加熱、氧化除碳，得到氮化招粉末。作為具體實施方式
，在步驟1011中，所述硝酸鋁與蔗糖的摩爾比為硝酸鋁蔗糖=2. 5-3. 5。作為具體實施方式
，在步驟1011中，所述聚乙二醇的加入量為所述混合溶液總量的 3 %o —6 %o。作為具體實施方式
，在步驟1011中，加入所述硝酸鋁和所述尿素的質(zhì)量比為硝酸鋁尿素=4. 26-5. 325。作為具體實施方式
，在步驟1011中，將所述恒溫水浴鍋的溫度控制在35_95°C。作為具體實施方式
，在步驟1012中，將所述氧化鋁溶膠體加熱的溫度控制在100-120。。。作為具體實施方式
，在步驟1013中，將所述常規(guī)電爐的溫度控制在900-1100°C，時間控制在I. 5-3. 5h，惰性氣體流量控制在2-6L/h。作為具體實施方式
，在步驟1013中，將所述三氧化二鋁和碳的兩相混合物在氨氣氣氛中微波加熱的溫度控制在900-1100°C，時間控制在10-30min，氨氣流量控制在2-6L/h0作為具體實施方式
，在步驟1014中，將所述混合物加熱的溫度控制在500-600°C，加熱時間控制在l_12h。作為具體實施方式
，在步驟102中，用旋轉(zhuǎn)提拉法或靜置干燥法提取氮化鋁-聚酰亞胺膜。一種超材料，包括至少一個超材料功能板，所述超材料功能板由介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)組成，所述介質(zhì)基板為氮化鋁-聚酰亞胺薄膜材料，所述氮化鋁-聚酰亞胺薄膜材料由以上的超材料的介質(zhì)基板材料制備方法制得。通過應(yīng)用本發(fā)明的超材料介質(zhì)基板材料及其制備方法，可以有效降低基板材料的介電常數(shù)，增強基板材料的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能，對于超材料的封裝工藝發(fā)展具有重要意義。


圖I，超材料介質(zhì)基板材料的制備方法流程圖。圖2，氮化鋁粉末制備方法流程圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明利用溶膠凝膠法合成氮化鋁粉，又將合成的氮化鋁粉與聚酰亞胺復(fù)合，制成超材料介質(zhì)基板。利用溶膠凝膠法解決了鋁碳結(jié)合性差的問題，微波加熱又使三氧化二鋁以高活性Y-Al2O3的形式參與反應(yīng)，兩者有機結(jié)合，可以在溫度較低，時間較短的情況下制成高純、超細的納米級氮化鋁粉末。將氮化鋁與聚酰亞胺合成的氮化鋁-聚酰亞胺膜制成超材料復(fù)合介質(zhì)基板，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，同時具有較低的介電常數(shù)。實施例I本實施例的制備方法如下1011.原料的制備將42. 6g硝酸鋁置于500ml的燒杯中，按硝酸鋁蔗糖=3 I的摩爾比在燒杯中加入蔗糖，繼續(xù)在燒杯中加入9g尿素、IOOml的去離子水形成混合溶液，按混合溶液總量5%。在燒杯中加入聚乙二醇，將燒杯放入75°C恒溫水浴鍋內(nèi)，邊攪拌邊滴加5ml氨水溶液,得到氧化鋁溶膠體；1012.前驅(qū)體的制備將步驟1011得到的氧化鋁溶膠體加熱至100°C，使溶膠體中的水分蒸發(fā)，真空干燥形成凝膠體，得到氮化鋁前驅(qū)體；1013.前驅(qū)體的碳熱還原氮化反應(yīng)將步驟1012得到的氮化鋁前驅(qū)體置于石墨坩堝中，在4L/h的惰性氣氛常規(guī)電爐中緩慢加熱至1000°C，保持2h，得到黑色三氧化二鋁和碳的兩相混合物，將混合物在2L/h流動的氨氣氣氛中微波加熱至900°C，加熱20min，發(fā)生碳熱還原氮化反應(yīng)；1014.除碳將步驟1013得到的碳、氮化鋁黑色混合物在干燥的空氣中加熱至500 0C，連續(xù)加熱12h，氧化除碳，得到納米級純氮化鋁粉末。102.將經(jīng)過以上步驟得到的氮化鋁粉末與聚酰亞胺乳液在常溫下混合攪拌均勻，利用旋轉(zhuǎn)提拉法提取氮化鋁-聚酰亞胺膜，得到超材料的介質(zhì)基板材料。應(yīng)當(dāng)理解，本實施例中，碳源為蔗糖，鋁源為硝酸鋁，添加劑為尿素、氨水溶液和聚乙二醇，溶劑為去離子水。應(yīng)當(dāng)理解，本實施例中，尿素與硝酸鋁的配比、鋁源與碳源的配比對反應(yīng)均具有較大影響。應(yīng)當(dāng)理解，本實施例中，在對制得的氮化鋁粉末粒度及分布X射線小角散射測試結(jié)果表明，氮化招的粒度分布在5-80nm之間。
應(yīng)當(dāng)理解，本實施例中，利用溶膠凝膠法制備氮化鋁粉末，解決了鋁碳原子結(jié)合性差的問題。應(yīng)當(dāng)理解，本實施例中，將氮化鋁前驅(qū)體在惰性氣氛中緩慢加熱，是為了逐漸脫去氮化鋁前驅(qū)體的水分和其它小分子有機物，形成混合均勻且粒度細小的三氧化二鋁和碳的兩相混合物。實施例2有時候，為了使制備超材料介質(zhì)基板材料的方法更加靈活，制備過程更容易控制，可以采用如下方法1011.原料的制備將42. 6g硝酸鋁置于500ml的燒杯中，按硝酸鋁蔗糖=3 I的摩爾比在燒杯中加入蔗糖，繼續(xù)在燒杯中加入8g尿素、IOOml的去離子水形成混合溶液，按混合溶液總量3%。在燒杯中加入聚乙二醇，將燒杯放入75°C恒溫水浴鍋內(nèi)，邊攪拌邊滴 加4ml氨水溶液,得到氧化鋁溶膠體；1012.前驅(qū)體的制備將步驟1011得到的氧化鋁溶膠體加熱至100°C，使溶膠體中的水分蒸發(fā)，真空干燥形成凝膠體，得到氮化鋁前驅(qū)體；1013.前驅(qū)體的碳熱還原氮化反應(yīng)將步驟1012得到的氮化鋁前驅(qū)體置于石墨坩堝中，在2L/h的惰性氣氛常規(guī)電爐中緩慢加熱至1000°C，保持3h，得到黑色三氧化二鋁和碳的兩相混合物，將混合物在2L/h流動的氨氣氣氛中微波加熱至900°C，加熱20min，發(fā)生碳熱還原氮化反應(yīng)；1014.除碳將步驟1013得到的碳、氮化鋁黑色混合物在干燥的空氣中加熱至500 0C，連續(xù)加熱12h，氧化除碳，得到納米級純氮化鋁粉末。102.將經(jīng)過以上步驟得到的氮化鋁粉末與聚酰亞胺乳液在常溫下混合攪拌均勻，利用旋轉(zhuǎn)提拉法提取氮化鋁-聚酰亞胺膜，得到超材料的介質(zhì)基板材料。實施例3本實施例制備超材料介質(zhì)基板材料的步驟如下1011.原料的制備將42. 6g硝酸鋁置于500ml的燒杯中，按硝酸鋁蔗糖=3 I的摩爾比在燒杯中加入蔗糖，繼續(xù)在燒杯中加入IOg尿素、IOOml的去離子水形成混合溶液，按混合溶液總量3%。在燒杯中加入聚乙二醇，將燒杯放入80°C恒溫水浴鍋內(nèi)，邊攪拌邊滴加5ml氨水溶液,得到氧化鋁溶膠體；1012.前驅(qū)體的制備將步驟1011得到的氧化鋁溶膠體加熱至120°C，使溶膠體中的水分蒸發(fā)，真空干燥形成凝膠體，得到氮化鋁前驅(qū)體；1013.前驅(qū)體的碳熱還原氮化反應(yīng)將步驟1012得到的氮化鋁前驅(qū)體置于石墨坩堝中，在4L/h的惰性氣氛常規(guī)電爐中緩慢加熱至1100°C，保持I. 5h，得到黑色三氧化二鋁和碳的兩相混合物，將混合物在4L/h流動的氨氣氣氛中微波加熱至900°C，加熱lOmin，發(fā)生碳熱還原氮化反應(yīng)；1014.除碳將步驟1013得到的碳、氮化鋁黑色混合物在干燥的空氣中加熱至6000C,連續(xù)加熱IOh,氧化除碳,得到納米級純氮化招粉末。102.將經(jīng)過以上步驟得到的氮化鋁粉末與聚酰亞胺乳液在常溫下混合攪拌均勻，利用靜置干燥法提取氮化鋁-聚酰亞胺膜，得到超材料的介質(zhì)基板材料。上述實施例制備超材料介質(zhì)基板材料的方法簡單，制備條件要求不高，易于實現(xiàn)。將力學(xué)性能極佳的氮化鋁粉末與有機高分子材料聚酰亞胺復(fù)合加工成超材料介質(zhì)基板材料，增強了介質(zhì)基板材料的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能，具有良好的發(fā)展前景。
本發(fā)明中的上述實施例僅作了示范性描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 101.制備氣化招粉末； 102.將步驟101得到的氮化鋁粉末與聚酰亞胺乳液在常溫下混合攪拌均勻，提取氮化鋁-聚酰亞胺膜，得到超材料的介質(zhì)基板材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟101中，制備所述氮化鋁粉末包括以下步驟 1011.原料的制備將硝酸鋁、蔗糖、聚乙二醇、尿素、去離子水的混合溶液置于燒杯中，將燒杯放入恒溫水浴鍋內(nèi)，邊攪拌邊滴加氨水溶液，得到氧化鋁溶膠體； 1012.前驅(qū)體的制備將步驟1011得到的氧化鋁溶膠體加熱，使溶膠體中的水分蒸發(fā)，真空干燥形成凝膠體，得到氮化鋁前驅(qū)體； 1013.前驅(qū)體的碳熱還原氮化反應(yīng)將步驟1012得到的氮化鋁前驅(qū)體在惰性氣氛的中緩慢加熱，得到三氧化二鋁和碳的兩相混合物，將混合物在流動的氨氣氣氛中微波加熱發(fā)生碳熱還原氮化反應(yīng)； 1014.除碳將步驟1013得到的混合物在干燥的空氣中加熱、氧化除碳，得到氮化鋁粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1011中，所述硝酸鋁與蔗糖的摩爾比為硝酸鋁蔗糖=2. 5-3. 5。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1011中，所述聚乙二醇的加入量為所述混合溶液總量的3%0 -6%。。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1011中，加入所述硝酸招和所述尿素的質(zhì)量比為硝酸招尿素=4. 260-5. 325。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1011中，將所述恒溫水浴鍋的溫度控制在35-95 °C。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1012中，將所述氧化鋁溶膠體加熱的溫度控制在100-120°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1013中，將所述氮化鋁前驅(qū)體在惰性氣氛中緩慢加熱的溫度控制在900-1100°C，時間控制在I. 5-3. 5h，惰性氣體流量控制在2-6L/h。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1013中，將所述三氧化二鋁和碳的兩相混合物在氨氣氣氛中微波加熱的溫度控制在900-1100°C，時間控制在10-30min，氨氣流量控制在2_6L/h。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1014中，將所述混合物加熱的溫度控制在500-600°C，加熱時間控制在l_12h。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板材料的制備方法，其特征在于，所述步驟102中，用旋轉(zhuǎn)提拉法或靜置干燥法提取氮化鋁-聚酰亞胺膜。
12.一種超材料，包括至少一個超材料功能板,所述超材料功能板由介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)組成，其特征在于，所述介質(zhì)基板為氮化鋁-聚酰亞胺薄膜材料，所述氮化鋁-聚酰亞胺薄膜材料由權(quán)利要求1-11任一項所述的超材料的介質(zhì)基板材料制備方法制得。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超材料介質(zhì)基板材料及其制備方法，包括以下步驟1011.原料的制備；1012.前驅(qū)體的制備；1013.前驅(qū)體的碳熱還原氮化反應(yīng)；1014.除碳；102.將上述步驟得到的氮化鋁粉末與聚酰亞胺乳液在常溫下混合攪拌均勻，提取氮化鋁-聚酰亞胺膜，得到超材料的介質(zhì)基板材料。應(yīng)用本發(fā)明的制備方法，將聚酰亞胺與氮化鋁復(fù)合制成陶瓷與有機高分子復(fù)合基板，可以增強超材料介質(zhì)基板材料的導(dǎo)熱性能，降低基板材料的介電常數(shù)，減小基板材料的孔隙，具有良好的開發(fā)與應(yīng)用前景。
文檔編號C04B26/20GK102951873SQ20111025533
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 繆錫根, 付珍 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司