專利名稱：聚集的氮化硼粉末的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及制備聚集的氮化硼粉末的方法，該方法形成的粉末，含有這種粉末的部件。
背景技術(shù)：
微電子器件如集成電路芯片變得越來越小且越來越高效。目前的趨勢是在給定時(shí)間內(nèi)制造在密度和功能方面比現(xiàn)有芯片不斷增加的集成芯片。這導(dǎo)致功率消耗增加并產(chǎn)生更多熱量，因此對熱量的控制已經(jīng)成為開發(fā)電子器件主要關(guān)注的問題。
通常，產(chǎn)熱源或器件如集成電路芯片上配有散熱器，除去操作期間產(chǎn)生的熱量。然而，在熱源或器件與散熱器之間的接觸熱阻限制了散熱器的有效除熱能力。組裝期間，一般施涂一層導(dǎo)熱油脂，一般為硅脂或一層導(dǎo)熱有機(jī)蠟，有助于在熱源和散熱器的相對接觸面之間形成低熱阻的路徑。其它導(dǎo)熱材料基于使用粘結(jié)劑，較好是樹脂粘結(jié)劑，如有機(jī)硅、熱塑性橡膠、氨基甲酸酯、丙烯酸類或環(huán)氧化物，導(dǎo)熱材料中分散有一種或多種導(dǎo)熱填料。
通常，這些填料為兩大類中的一類導(dǎo)熱和電絕緣的填料，或?qū)岷蛯?dǎo)電的填料。氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮化鋁和氮化硼是最常列舉的用于熱產(chǎn)品的導(dǎo)熱和電絕緣的填料。氮化硼由于其優(yōu)良的傳熱特性和相對價(jià)廉而特別有用。
然而，為了用目前所用的填料如氮化硼達(dá)到充分的導(dǎo)熱性，粘結(jié)劑中需要加入大量的填料。例如參見美國專利No.5,898,009，No.6,048,511和歐洲專利No.EP0939 066 A1(都屬于Shaffer等)，這些專利揭示另一種達(dá)到固體六邊形氮化硼加入量接近45體積％的方法。
仍然需要改進(jìn)的導(dǎo)熱填料以及形成這種材料的方法。具體而言，需要能改進(jìn)對最終產(chǎn)品性能的控制、經(jīng)濟(jì)和大量生產(chǎn)這種材料的方法。此外，仍然存在對改進(jìn)的氮化硼粉末的需要，包括受控密度的粉末如低密度和中密度粉末，保持在應(yīng)用中如半導(dǎo)體領(lǐng)域的加工和采用所需的足夠強(qiáng)度。
除了使用氮化硼粉末作為導(dǎo)熱性應(yīng)用的填充材料外，本領(lǐng)域還需要制備具有在其它最終用途如降低摩擦的應(yīng)用中采用所要求的目標(biāo)性能的氮化硼粉末。在這方面，需要高度靈活的制造方法，這種方法采用有成本效益的技術(shù)，以高產(chǎn)率制造物理、熱、電、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)可以在寬范圍變化的氮化硼粉末。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，一種聚集的氮化硼粉末具有斷裂強(qiáng)度與搖實(shí)密度(tapdensity)的比值不小于約11MPa·cc/g的聚集體。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，聚集的氮化硼粉末具有斷裂強(qiáng)度與包封密度(envelope density)的比值不小于6.5MPa·cc/g的聚集體。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種形成聚集的氮化硼粉末的方法，該方法使用了含氮化硼聚集體的原料粉末。這種原料粉末一般具有粒度不大于約5微米的細(xì)晶體。然后熱處理該原料粉末，形成熱處理的聚集的氮化硼粉末。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，提供一種微電子器件，該器件包括有效元件、基片、在有效元件和基片之間的熱界面材料。有效元件通常產(chǎn)生熱量，熱界面材料包含斷裂強(qiáng)度與包封密度比值不小于6.5MPa·cc/g的聚集體。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，提供一種印刷電路板，該電路板包含多個(gè)層，所述多個(gè)層包含至少一層含有斷裂強(qiáng)度與包封密度的比值不小于6.5MPa·cc/g的聚集體的層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，提供一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的元件，該元件包含基體相和斷裂強(qiáng)度與包封密度的比值不小于約6.5MPa·cc/g的聚集體。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，提供一種形成聚集的氮化硼粉末的方法，該方法中形成含聚集體的松散氮化硼粉末。然后，從該松散粉末中取出一部分的氮化硼聚集體，形成原料粉末，加熱原料粉末形成聚集的氮化硼粉末。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，提供一種形成聚集的氮化硼粉末的方法，該方法中形成含亂層氮化硼的氮化硼聚集體的原料粉末。然后對該原料粉末進(jìn)行熱處理，形成熱處理的聚集的氮化硼粉末。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，聚集的氮化硼粉末進(jìn)行熱處理后可以進(jìn)行機(jī)械攪拌操作，如破碎。這種方法能有效打破通常在熱處理期間形成的聚集體間的弱鍵，使粒度分布類似或很接近于初始原料粉末的粒度分布。通常，至少25重量％的熱處理氮化硼粉末在破碎后的粒度在原料粉末的初始粒度范圍之內(nèi)。


本領(lǐng)域的技術(shù)人員參照下面附圖能更好理解本發(fā)明，并且本發(fā)明的許多目的、特征和優(yōu)點(diǎn)也將是顯而易見的。
圖1所示是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式形成聚集的氮化硼粉末的具體工藝流程的流程圖。
圖2所示是六邊形氮化硼的理想晶體結(jié)構(gòu)。
圖3所示是用于表征本發(fā)明的實(shí)施方式的測試設(shè)備。
圖4所示是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的印刷電路板的截面圖。
圖5所示是一個(gè)微電子器件，包括通過用傳熱膜粘結(jié)在基片上的集成電路。
圖6所示是結(jié)合了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式外殼的手提電腦。
在不同附圖中使用相同標(biāo)記符號來表示類似或相同的部件。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，所示為形成聚集的氮化硼粉末的一般工藝流程。該工藝流程從供給氮化硼壓塊或小球開始。通常，氮化硼壓塊或小球由氮化硼粉末壓制為壓塊或小球形式形成。壓塊或小球的尺寸并不是特別重要，依據(jù)形成壓塊或小球的方法(如，濾餅，輥壓緊(roll compact)、丸壓制、等壓壓制)，其密度可以在寬范圍變化。雖然本發(fā)明的實(shí)施方式利用了較小如幾克數(shù)量級的壓塊或小球，但是也可以加工較大的如100千克數(shù)量級的壓塊。
初始加工氮化硼壓塊或小球的目的是提供能按照本發(fā)明實(shí)施方式使用的原料粉末。原料粉末一般采用以下方法形成，首先在步驟10破碎氮化硼壓塊或小球。破碎壓塊的合適方法包括顎式破碎和輥破碎。壓塊或小球破碎成具有要求的聚集體粒度或直徑的氮化硼聚集體。較好地，壓塊或小球被破碎成約10-1000微米的氮化硼聚集體。除了顎式破碎和/或輥破碎外，可以碾磨松散粉末，以形成更加小的顆粒，如由很細(xì)晶體如粒度小于10微米的晶體形成的顆粒。
一個(gè)實(shí)施方式中，采用顎式破碎、輥破碎和/或細(xì)碾磨的任意組合來破碎形成松散粉末后，在步驟16對該松散粉末進(jìn)行分級，形成后面加工所需的原料粉末。大于目標(biāo)粒度的粗聚集體可以再破碎和分級，直到這些聚集體在目標(biāo)粒度分布之內(nèi)。但是，更常用的是在步驟12壓制松散粉末。壓制通常以冷壓或等壓壓制形式進(jìn)行，在這一中間步驟形成新的大塊(log)、壓塊或小球，它們具有要求的結(jié)晶度和B2O3含量性質(zhì)。壓制之后，新的大塊、壓塊或小球在步驟14破碎。壓制和破碎步驟12和14可以重復(fù)任意次，以改進(jìn)所得的原料粉末的晶體大小、粒度、粒度分布以及B2O3的含量。
在步驟16分級的原料粉末以及松散粉末含有聚集體。本文中所用的聚集體是氮化硼晶體的集合，晶體結(jié)合在一起形成各個(gè)可識別的顆粒。雖然這樣的聚集體通常由晶體形成，但是聚集體可以是部分或完全玻璃質(zhì)的，如在有雜質(zhì)或亂層氮化硼的情況。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，從粉末中除去非聚集的氮化硼顆粒(如，小片或晶體區(qū))以及不在要求的原料粉末粒度分布之內(nèi)的聚集體。這種非聚集的氮化硼顆粒粒度通常小于10微米。較好地，除去非聚集的氮化硼顆粒至小于約5％，更好小于約1％，如小于約0.1％。除去非聚集的顆粒的合適方法包括篩分、空氣分級和淘析，(參見Chem.Eng.Handbook，Perry & Chilton，5thEd.，McGraw-Hill(1973)，其全文內(nèi)容被結(jié)合作為參考)。這類除去方法為本領(lǐng)域眾所周知，本文只簡單說明。
通常，通過篩分進(jìn)行分級。篩分是通過篩面將不同粒度的固體顆粒/聚集體的混合物分離為兩個(gè)或多個(gè)部分。篩面有開孔，小顆粒/聚集體通過開孔流出，而大顆粒/聚集體留在上面。對大粒度和小粒度的顆粒/聚集體流均可以按照需要多次重復(fù)這一過程，通過不同的篩孔，達(dá)到將顆粒/聚集體分級到要求的顆粒/聚集體粒度范圍。
根據(jù)圖1所示流程圖的一個(gè)特征，破碎和分級之后，以及任選的壓制和破碎操作步驟12和14之后，提供具有要求的性質(zhì)的原料粉末。原料粉末由在具體預(yù)定的粒度范圍內(nèi)的聚集體形成，這些聚集體取自松散氮化硼聚集體粉末。在此，單獨(dú)的聚集體是由細(xì)晶體(也稱作晶體區(qū))組成。這些晶體通過聚集體間的鍵合而結(jié)合在一起，通過SEM分析能分別識別。通常要求晶體的平均晶體大小不大于約5微米。更好地，晶體的平均晶體大小不大于約4微米，最好不大于約2微米。
雖然已經(jīng)結(jié)合破碎氮化硼壓塊描述最初加工形成原料粉末，但應(yīng)理解可以采用不同的加工方法來制備原料粉末，例如，在氮存在下硼氧化物的碳熱還原，蜜胺化合物反應(yīng)用作強(qiáng)還原氮化合物的來源，將硼氧化物還原為氮化硼和用氨直接滲氮?；蛘?，如三氯化硼和氨的試劑在熱解過程中反應(yīng)形成高純氮化硼。在強(qiáng)調(diào)純度超過加工產(chǎn)量的情況，這種方法對形成高純度氮化硼粉末特別有用。
雖然對原料粉末以及加工步驟的操作的說明都集中在供給很細(xì)晶體尺寸的原料粉末，但也注意到原料粉末可以是完全或部分亂層的。例如，一個(gè)實(shí)施方式中，亂層含量至少為10重量％，如至少20、30或40％的亂層。某些實(shí)施方式的亂層量占大部分。在這方面，這樣的亂層氮化硼粉末的結(jié)晶指數(shù)通常小于0.12。對亂層氮化硼的性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)說明可參見Hagio等，“六邊形氮化硼晶體的微結(jié)構(gòu)形成(Microstructural Development with Crystallization of Hexagonal BoronNitride)”J.Mat.Sci.Lett.16795-798(1997)，其全文內(nèi)容結(jié)合作為參考。
通常，原料粉末、壓塊、大塊或小球(在此都稱作致密體)的密度約為0.3-2.0g/cc。在這方面，通過從壓塊、大塊或小球切下并稱重已知每一面尺寸的立方體，來測量原料粉末致密體的密度。另一種表征原料粉末的方法是測定用于進(jìn)一步加工的最初搖實(shí)密度。根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式，最初搖實(shí)密度在約0.2-1.0g/cc范圍內(nèi)。
再參見壓制步驟12，如本領(lǐng)域所理解的，通常采用等壓進(jìn)行壓制。處理時(shí)壓力通常超過5,000psi。更典型的大于10,000psi，優(yōu)選大于15,000psi，甚至20,000psi。二次破碎步驟14和隨后分級步驟16之后，通常存在在要求的原料粉末粒度范圍之外的顆粒。例如，大于目標(biāo)粒度分布的粗聚集體可以再破碎并分級，直到粒度在目標(biāo)范圍內(nèi)，而小于最小聚集體粒度的小聚集體和非聚集的顆粒從原料粉末中排除。在后一種情況，排除的粉末可以循環(huán)，通常是將循環(huán)的粉末再次進(jìn)行壓制步驟12，隨后進(jìn)行破碎步驟14，如圖1所示。這樣循環(huán)的粉末一般與引入的依照破碎步驟10形成的初始粉末混合。或者，通過單軸壓制(壓成丸或壓片)的輥壓緊或壓塊進(jìn)行壓制步驟12。如前面所述，施加足夠的壓力來獲得要求密度的固結(jié)體?；蛘?，采用濕法形成致密體，從而噴霧干燥或過濾氮化硼的漿液形成致密體。
雖然聚集的原料粉末的粒度范圍很大程度上依據(jù)對最終粉末產(chǎn)品要求的最終性質(zhì)來變化，但原料粉末的粒度通常在約20-1,000微米范圍，通常約為40-500微米。為嚴(yán)格控制最終產(chǎn)品的粒度，通常加工到在前述寬范圍內(nèi)的窄粒度范圍。本文中，粒度范圍通常由上述篩分方法所決定。在這方面，注意到篩分并不是一種理想的方法，因此存在一定比例的不合需要的粒度的顆粒，最典型的是在底部篩上的產(chǎn)物中的細(xì)顆粒，從而使粒度范圍移向略小于列舉的范圍。
如圖1所示，分級后，原料粉末在步驟18進(jìn)行燒結(jié)操作。在此，對粉末形式，而不是任何松散形式如塊、小球或大塊的氮化硼聚集體進(jìn)行燒結(jié)。在燒結(jié)操作中，通常聚集體通過弱的聚集體間的鍵結(jié)合在一起(頸縮)。因此，一般要求對熱處理或燒結(jié)后的粉末在步驟20進(jìn)行破碎操作。如上面結(jié)合步驟10所述的，步驟20的破碎操作可采用各種方法進(jìn)行，包括顎式破碎和粗輥破碎，雖然在步驟20通常不進(jìn)行碾磨，以保持盡可能接近初始原料粉末的最初粒度(聚集體)范圍。
通常，步驟18的燒結(jié)操作在能促進(jìn)晶體生長和非晶相(亂層)晶體的溫度下進(jìn)行，以形成通常六邊形晶體結(jié)構(gòu)的熱處理產(chǎn)物。在這方面，燒結(jié)溫度通常高于至少約1,400℃，如在約1,600-2,400℃范圍。燒結(jié)溫度范圍為1,800-2,300℃，具體在約1,850-1,900℃范圍。通常，燒結(jié)時(shí)的環(huán)境是惰性的，以減小或防止與氮化硼粉末的不希望有的反應(yīng)。在這方面，一般對燒結(jié)爐抽真空，如在低于約1個(gè)大氣壓的壓力。燒結(jié)環(huán)境中存在的氣體通常是惰性氣體，如氬氣或氮?dú)?N2)。根據(jù)爐子設(shè)計(jì)和加熱速率，通常熱處理制備進(jìn)行約0.25-12小時(shí)。
由于燒結(jié)操作的結(jié)果，原料粉末的密度通常會下降，這與其它類型的陶瓷材料的燒結(jié)操作不同。對“燒結(jié)”期間密度下降的一種解釋是通過非致密化擴(kuò)散過程如同氣相傳送在相鄰顆粒之間形成頸縮。(參見Modern Ceramic Engineering，D.W.Richerson，Chapter 7，1982)。通?？捎^察到密度下降至少約0.1g/cc，如至少0.2g/cc。熱處理粉末的特定例子的搖實(shí)密度在步驟20破碎和步驟22分級后在約0.2-1.0g/cc量級。在這方面，分級步驟22可采用對結(jié)合分級步驟16所述的任一種方法進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，分級步驟22顯示至少25重量％的熱處理后聚集的氮化硼粉末(破碎后)在原料粉末的初始粒度范圍之內(nèi)。通常，熱處理的氮化硼粉末(破碎后)的平均粒度至少為20微米，粒度范圍約為40-500微米。在這方面，一般要求最終粉末產(chǎn)物的粒度分布接近最初原料粉末的粒度分布。這一特征能比本領(lǐng)域目前加工技術(shù)如依賴小球、塊、大塊或壓塊形式的氮化硼熱處理的方法有效提高最終熱處理后破碎并分級的聚集的氮化硼粉末的產(chǎn)率。
熱處理的聚集的氮化硼粉末通常是六邊形晶體結(jié)構(gòu)。六邊形氮化硼是一種惰性光滑的(lubricious)陶瓷材料，具有片狀(platey)六邊形晶體結(jié)構(gòu)(類似于石墨的結(jié)構(gòu))(“h-BN”)。參見圖2能容易地說明h-BN的眾所周知的各向異性的特性，圖2顯示六邊形的h-BN顆粒。h-BN顆粒小片的直徑是如圖2中所示的D，并稱作a-方向。BN共價(jià)結(jié)合在在a-方向平面。顆粒厚度尺寸是所示的Lc，它垂直于直徑，并稱作c-方向。堆疊的BN六邊形(即在c-方向)通過范德華力(相對較小)結(jié)合在一起。
最終熱處理的破碎和分級的聚集氮化硼粉末具有六邊形的晶體結(jié)構(gòu)，從高度有序的六邊形晶體結(jié)構(gòu)到混亂的六邊形結(jié)構(gòu)。這種粉末的結(jié)晶指數(shù)通常約為0.12和更高。(參見Hubacek，“亂層的層狀氮化硼的假設(shè)模型(Hypothetical Model ofTurbostratic Layered Boron Nitride”J.Cer.Soc.of Japan，104695-98(1996)，其全部內(nèi)容結(jié)合作為參考)。
此外，燒結(jié)操作能有效揮發(fā)雜質(zhì)和表面氧化物致污物。得到的產(chǎn)物在破碎前是弱聚集的聚集體的“餅”，容易破碎到類似于原料粉末最初粒度分布的粒度分布。
注意到雖然如圖1所示在步驟12和16之間，和步驟20和22之間有循環(huán)步驟，但在圖1所示的基本流程的各個(gè)處理步驟之間可以采用循環(huán)步驟。
最終聚集的氮化硼產(chǎn)物通常有特別是相對于其包封密度(實(shí)際聚集體的密度)和/或粉末搖實(shí)密度(粉末的堆積密度(bulk density))的較高的斷裂強(qiáng)度，。例如，一個(gè)實(shí)施方式的斷裂強(qiáng)度與搖實(shí)密度的比值不小于約11MPa·cc/g，如不小于約12MPa·cc/g，13MPa·cc/g，甚至14MPa·cc/g。按照包封密度，這樣的比值通常不小于6.5MPa·cc/g，如不小于6.7MPa·cc/g，或不小于6.9MPa·cc/g。
關(guān)于粉末粒度特性，粉末具有在約20-500微米范圍的平均聚集體粒度，如約40-200微米。在這方面，某些實(shí)施方式有至少60％的粉末在約40-200微米的粒度分布范圍內(nèi)，或有至少80％的粉末在40-150微米范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，形成具有上面特征的粉末。然而，其它實(shí)施方式在各種應(yīng)用中使用這些粉末。例如，再參見圖4，提供一種印刷電路板200，它包含多個(gè)層206-218形成的疊層204。如圖所示，其中相反的主表面之一包含多個(gè)焊接凸起，用來與其它電子元件電連接。雖然并未示出，印刷電路板的相反的主表面可以有電軌跡沿該軌跡發(fā)送電信號。按照圖4所示的實(shí)施方式，206-218中任何一層或多層可包含上面所述的聚集體。通常，加入足夠比例的聚集體，使聚集體形成互連的網(wǎng)絡(luò)并一般相互接觸用于有效傳熱。聚集體的這種互連網(wǎng)絡(luò)在此指一種滲流的結(jié)構(gòu)，一般能形成骨架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)延伸通過并嵌埋在基體相中。通常，這種基體相由聚合物包括有機(jī)聚合物形成。某些實(shí)施方式中，為了加工方便，要求使用熱塑性聚合物。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，含有聚集體的層有利地提高了要求電子應(yīng)用的印刷電路板的傳熱。
再參見圖5，所示為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，包括微電子器件。在這一特定實(shí)施方式中，微電子器件300包括包封態(tài)的半導(dǎo)體管芯302，即固定在下面基片304的倒裝片(flip-chip)，該芯片用于和其它微電子器件電連接。微電子器件300包括傳熱膜310，它包含在基體相通常是聚合物如樹脂中的如上所述的聚集體。如上面結(jié)合印刷電路板的說明，聚集體形成互連的網(wǎng)絡(luò)或滲流結(jié)構(gòu)，用來提高集成電路302和下面基片304之間的傳熱。如本領(lǐng)域一般理解的，集成電路和基片之間的電互連可通過加入結(jié)合到半導(dǎo)體管芯上各個(gè)焊接點(diǎn)，通過焊接材料回流結(jié)合到基片接觸件上的焊接凸起306來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，提供的復(fù)合結(jié)構(gòu)部件包括基體相和如上面所述的聚集體。該復(fù)合結(jié)構(gòu)部件可以采取各種結(jié)構(gòu)形式，在特定實(shí)施方式中，形成微電子器件如硬盤驅(qū)動器的集成部件。在這種硬盤驅(qū)動器特定情況，部件可以是傳動裝置臂(actuator arm)。
或者，結(jié)構(gòu)部件可提供計(jì)算機(jī)外殼，如圖6所示。圖6所示是一個(gè)筆記本電腦400，有兩個(gè)半殼402和404的外殼。外殼部分402一般構(gòu)成結(jié)構(gòu)支撐以及計(jì)算機(jī)LCD屏的背面，而外殼部分404封閉并保護(hù)手提電腦400的敏感的微電子部件，并包括底表面406。宜用復(fù)合材料形成該外殼，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，該復(fù)合材料包括基體相和聚集體?；w相可以是一種結(jié)構(gòu)合理的聚合物材料，如熱塑性聚合物。雖然圖6顯示手提電腦，應(yīng)理解該外殼可構(gòu)造成適合于臺式計(jì)算機(jī)，以及用于服務(wù)器和其它計(jì)算器件。
此外，在各種用于微電子器件的殼體或箱體中，結(jié)構(gòu)部件可以是電話外殼形式，構(gòu)成電話聽筒如移動電話的外結(jié)構(gòu)表面。
下面并不是合適復(fù)合結(jié)構(gòu)部件的詳盡清單，并且對各種應(yīng)用(包括微電子應(yīng)用)能提供無數(shù)的幾何構(gòu)形。例如，結(jié)構(gòu)部件可以采取加熱管形式，如US 6,585,039中概述的，復(fù)合加熱器，如6,300,607和6,124,579中所述，制動襯塊結(jié)構(gòu)，如5,984,055所述，或各種過電壓部件，如US 6,251,513所述。
下面實(shí)施例提及的篩分參數(shù)是基于抗拉篩布(tensile bolting cloth)(TBC)標(biāo)準(zhǔn)，除非另外指出。為方便說明，下面表1列出對TBC篩目大小、U.S.Sieve、微米和密耳之間的換算。
表1

實(shí)施例實(shí)施例1以20ksi等壓壓制，將約50磅由粒度不大于約5微米的細(xì)晶體組成的原料氮化硼粉末固結(jié)。形成的材料然后用顎式破碎機(jī)，然后用輥型破碎機(jī)進(jìn)行破碎。將形成的粉末進(jìn)行篩分，分離成細(xì)和粗的聚集體。對本實(shí)施例，粗聚集體為大于150微米，細(xì)聚集體為小于40微米。用配有120和200 TBC(抗拉篩布)篩的篩分機(jī)進(jìn)行篩分。得到8磅60％大于74微米的材料。該材料在約1900℃熱處理12小時(shí)，產(chǎn)生高純度氮化硼餅。用顎式破碎機(jī)，然后用輥型破碎機(jī)對該餅進(jìn)行破碎。形成的粉末然后進(jìn)行篩分，分離成細(xì)和粗的聚集體。對本實(shí)施例，粗聚集體為大于150微米，細(xì)聚集體為小于150微米。粒度大于150微米的聚集體再次破碎，直到它們在目標(biāo)聚集體粒度范圍之內(nèi)，即對本實(shí)施例為小于150微米。篩分后得到2磅95％在150微米和74微米之間的材料，其搖實(shí)密度約為0.50g/cc。選擇直徑為125微米的顆粒的強(qiáng)度為8.2MPa。
實(shí)施例2.
約50磅由粒度不大于約5微米的細(xì)晶體組成的原料氮化硼粉末用顎式破碎機(jī)，然后用輥型破碎機(jī)進(jìn)行破碎。將形成的粉末進(jìn)行篩分，分離成細(xì)和粗的聚集體。對本實(shí)施例，粗聚集體為大于150微米，細(xì)聚集體為小于40微米。用配有120和200TBC(抗拉篩布)篩的篩分機(jī)進(jìn)行篩分。得到5磅60％大于74微米的材料。該材料在約1900℃熱處理12小時(shí)，產(chǎn)生高純度氮化硼餅。用顎式破碎機(jī)，然后用輥型破碎機(jī)對該餅進(jìn)行破碎。形成的粉末然后進(jìn)行篩分，分離成細(xì)和粗的聚集體。對本實(shí)施例，粗聚集體為大于150微米，細(xì)聚集體為小于150微米。粒度大于150微米的聚集體再次破碎，直到它們在目標(biāo)聚集體粒度范圍之內(nèi)，即對本實(shí)施例為小于150微米。篩分后得到2磅95％在150微米和74微米之間的材料，其搖實(shí)密度約為0.35g/cc。選擇直徑為125微米的顆粒的強(qiáng)度為4.5MPa。
實(shí)施例3.
以20ksi等壓壓制，將約100磅由粒度不大于約5微米的細(xì)晶體組成的原料氮化硼粉末固結(jié)。形成的材料然后用顎式破碎機(jī)，然后用輥型破碎機(jī)進(jìn)行破碎。將形成的粉末進(jìn)行篩分，分離成細(xì)和粗的聚集體。對本實(shí)施例，粗聚集體為大于200微米，細(xì)聚集體為小于40微米。粒度大于200微米的聚集體再次破碎，直到它們在目標(biāo)聚集體粒度范圍之內(nèi)，即對本實(shí)施例為小于200微米。通過空氣分級，從較大聚集體分離出在破碎期間產(chǎn)生的通常小于10微米的細(xì)聚集體和細(xì)晶體。用配有88和120TBC(抗拉篩布)篩的篩分機(jī)(Kason Corporation，Millburn，N.J.)對產(chǎn)生的181磅粗產(chǎn)物進(jìn)行篩分，得到3磅60％大于150微米的材料。該材料在約1900℃熱處理12小時(shí)，產(chǎn)生高純度氮化硼餅。用顎式破碎機(jī)，然后用輥型破碎機(jī)對該餅進(jìn)行破碎。形成的粉末然后進(jìn)行篩分，分離成細(xì)和粗的聚集體。對本實(shí)施例，粗聚集體為大于200微米，細(xì)聚集體為小于200微米。篩分后得到2磅95％在200微米和74微米之間的材料，其搖實(shí)密度約為0.50g/cc。選擇直徑為150微米的顆粒的強(qiáng)度為7.5MPa。
按照上面的工藝流程，制備另外的樣品作為實(shí)施例5-7的樣品，這些樣品的搖實(shí)密度列于下面表2。此外，制備比較例1、2和3的樣品用來比較測試。比較例樣品的制備方式類似于上面實(shí)施例1-3，明顯不同的之處是比較例中對大塊或壓塊形式的材料進(jìn)行熱處理，而不是如本發(fā)明實(shí)施方式所述的對聚集的粉末形式進(jìn)行熱處理。所有樣品都進(jìn)行聚集體強(qiáng)度測試，具體是使用圖3所示的測試設(shè)備。該設(shè)備由小的加載機(jī)構(gòu)100和移動臺階110組成。該臺階在x、y和z方向移動，并用步進(jìn)電動機(jī)(Newport PM 500 Precision Motion Controller)控制。z-向運(yùn)動設(shè)定為2微米/秒。使用4.9N(500g)測力傳感室102，將樣品放在高拋光的平行SiC平臺104和106上。該臺階的運(yùn)動通過LabView控制。以20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)/秒的取樣速度獲取數(shù)據(jù)，產(chǎn)生0.1微米和0.01N的分辨率。
通過手工從樣品批料中拾取類似粒度的聚集體，得到測試的樣品，測試單一聚集體的斷裂強(qiáng)度。假設(shè)不規(guī)則形狀是處于球體和立方體之間，計(jì)算每個(gè)聚集體的有效拉伸強(qiáng)度，得到σe＝1.37(P/a2)式中，P是斷裂負(fù)荷，a是聚集體直徑(粒度)。
按照ASTM B527-70測定搖實(shí)密度。
包封密度用Hg孔隙儀，通過在40Kpsi壓力下滲透液體Hg進(jìn)行測定。包封密度代表樣品聚集體的平均密度，與搖實(shí)密度不同，后者是堆積密度的測定值。
表2

根據(jù)前述，提供相對高強(qiáng)度的受控密度的粉末，特別是提供適用于導(dǎo)熱應(yīng)用的高強(qiáng)度低密度和中密度的粉末。此外，這種粉末一般具有各向同性的熱和結(jié)構(gòu)性能。此外，本發(fā)明的實(shí)施方式還提供了形成聚集的氮化硼粉末的加工方法。這種方法是高度靈活，能有效提高產(chǎn)率，因此是有成本效益的。雖然按照本發(fā)明實(shí)施方式的粉末特別適用于導(dǎo)熱應(yīng)用，如在半導(dǎo)體領(lǐng)域，但是這種加工方法是靈活的，能形成用于其它應(yīng)用的氮化硼粉末。
權(quán)利要求
1.一種聚集的氮化硼粉末，包含斷裂強(qiáng)度與搖實(shí)密度的比值不小于約11MPa·cc/g的聚集體。
2.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，該比值不小于約12MPa·cc/g。
3.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，該比值不小于約13MPa·cc/g。
4.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，該比值不小于約14MPa·cc/g。
5.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，該粉末的平均聚集體粒度在約20-1000微米范圍。
6.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，該粉末的平均聚集體粒度在約40-500微米范圍。
7.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，該粉末的平均聚集體粒度在約40-200微米范圍。
8.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，該粉末的平均聚集體粒度在約20-90微米范圍。
9.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，至少60重量％的粉末的粒度分布在約40-200微米范圍。
10.如權(quán)利要求1所述的粉末，其特征在于，至少80重量％的所述粉末的粒度分布在約40-150微米范圍。
11.一種聚集的氮化硼粉末，包含斷裂強(qiáng)度與包封密度的比值不小于約6.5MPa·cc/g的聚集體。
12.如權(quán)利要求11所述的粉末，其特征在于，該比值不小于約6.7MPa·cc/g。
13.如權(quán)利要求11所述的粉末，其特征在于，該比值不小于約6.9MPa·cc/g。
14·一種微電子器件，包含產(chǎn)生熱量的有效元件；固定有所述有效元件的基片；在所述有效元件和基片之間的熱界面材料，該熱界面材料包含斷裂強(qiáng)度與包封密度的比值不小于約6.5MPa·cc/g的聚集體。
15.如權(quán)利要求14所述的微電子器件，其特征在于，有效元件包括半導(dǎo)體器件。
16.如權(quán)利要求14所述的微電子器件，其特征在于，熱界面材料包含在聚合物基體中的所述聚集體，聚集體形成用于傳熱的滲流結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求15所述的微電子器件，其特征在于，該比值不小于約6.7MPa·cc/g。
18.一種印刷電路板，包括多個(gè)層，它包含至少一層含有斷裂強(qiáng)度與包封密度的比值不小于約6.5MPa·cc/g的聚集體的層。
19.如權(quán)利要求18所述的印刷電路板，還包括延伸通過該多個(gè)層用來電連接的導(dǎo)電部件。
20.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)部件，包含基體相；斷裂強(qiáng)度與包封密度的比值不小于約6.5MPa·cc/g的聚集體。
21.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)部件是微電子器件的元件。
22.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)部件是硬盤驅(qū)動器的的傳導(dǎo)裝置臂。
23.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)部件是微電子箱體。
24.如權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)部件是計(jì)算機(jī)外殼。
25.如權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)部件是電話殼體。
26.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)部件選自加熱器、加熱管、過電壓部件和制動部件。
27.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述基體相包含聚合物。
28.如權(quán)利要求27所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述聚合物包括熱塑性材料。
29.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述聚集體形成用于傳熱的滲流結(jié)構(gòu)。
30.一種形成聚集的氮化硼粉末的方法，該方法包括提供包含氮化硼聚集體的原料粉末，該原料粉末包含粒度不大于約5微米的細(xì)晶體；對該原料粉末進(jìn)行熱處理，形成經(jīng)熱處理的聚集的氮化硼粉末。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述原料粉末的平均晶體大小不大于5微米。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述平均晶體大小不大于2微米。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，該方法還包括使熱處理后的聚集的氮化硼粉末進(jìn)行破碎操作。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述原料粉末具有初始粒度范圍，而破碎后至少25重量％的熱處理后的氮化硼粉末在該初始粒度范圍之內(nèi)。
35.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，破碎操作后，熱處理的氮化硼粉末按照粒度分級。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，分級之后，熱處理的氮化硼粉末的平均粒度為至少20微米。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，分級之后，熱處理的氮化硼粉末的粒度分布在約20-1000微米范圍。
38.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，熱處理的氮化硼粉末具有六邊形晶體結(jié)構(gòu)。
39.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，原料粉末包含亂層晶體結(jié)構(gòu)。
40.如權(quán)利要求30所述的方法，該方法還包括對松散的聚集氮化硼粉末按粒度分級的步驟，其中，原料粉末是具有所需粒度范圍的松散的聚集氮化硼粉末的一部分。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，在所需粒度范圍內(nèi)的原料粉末為松散聚集的氮化硼粉末的一部分，其余松散的聚集氮化硼粉末被循環(huán)。
42.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述原料粉末通過下面步驟形成對固體氮化硼進(jìn)行破碎，形成松散的聚集氮化硼粉末；取出所需粒度范圍的松散的聚集氮化硼粉末，形成原料粉末。
43.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，熱處理步驟在至少1400℃的溫度下進(jìn)行。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，該溫度在約1600-2400℃范圍。
45.一種形成聚集的氮化硼粉末的方法，該方法包括提供含氮化硼聚集體的松散氮化硼粉末；取出部分氮化硼聚集體，形成含氮化硼聚集體的原料粉末；對該原料粉末進(jìn)行熱處理，形成經(jīng)熱處理的聚集的氮化硼粉末。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，取出的部分對應(yīng)于所需粒度范圍。
47.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，通過按粒度對松散的氮化硼粉末進(jìn)行分級，來取出一部分氮化硼聚集體。
48.一種形成聚集的氮化硼粉末的方法，該方法包括提供含氮化硼聚集體的原料粉末，該原料粉末包含亂層氮化硼；對該原料粉末進(jìn)行熱處理，形成經(jīng)熱處理的聚集的氮化硼粉末。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，所述原料粉末包含至少10重量％的亂層氮化硼。
全文摘要
提供具有受控密度和斷裂強(qiáng)度特征的新穎聚集氮化硼粉末。此外還提供該粉末的制備方法。一種方法要求提供包含氮化硼聚集體的原料粉末，并熱處理該原料粉末形成熱處理的聚集的氮化硼粉末。在一個(gè)實(shí)施方式中，原料粉末具有受控的晶體大小。在另一個(gè)實(shí)施方式中，原料粉末來自松散粉末源。
文檔編號C04B35/5831GK1839096SQ200480023782
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月21日
發(fā)明者E·A·普魯斯, T·M·克麗爾 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司