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氮化鋁刮刀成型技術與薄帶生胚特性研究Aluminum Nitride Ceramic Tape Fabricated By Tape Casting Process And The Properties Of Green Films

楊 旻 諭1 ■ 劉 坤 儒2 ■ 許 志 雄3 ■ 賴 冠 廷4

M.Y. Yang K.J. Liu, C.S. Hsi, K.T. Lai

本研究使用刮刀成型技術製成氮化鋁陶瓷

坯體，探討製程變數對於陶瓷薄帶生胚特性影

響。實驗中，固定薄帶成型速率，針對漿料中

添加劑比例參數進行觀察。研究中以聚乙烯醇

縮丁醛 (PVB)系列作為黏結劑，與不同比率

塑化劑、有機溶劑、及氮化鋁粉末均勻混合，

配置出黏度適當的刮刀成型泥漿，泥漿均勻塗

覆在膠膜上，待完全乾燥後可得氮化鋁生胚薄

帶，並以桌上式拉力機測量生胚張力強度。由

於氮化鋁抗水解能力不佳，易與水氣反應形

成非晶型多孔性AlOOH (boehmite)與Al(OH)3

(bayerite)，使胚體氧含量增加，產生熱傳導性

質下降情況。無水酒精含有氫鍵具潮解性，能

吸收空氣中的水氣，為避免造成氮化鋁水解反

應，本實驗選用甲苯作為溶劑。由研究結果顯

示，隨著不同比例的黏結劑互相混合、黏結劑

與塑化劑間的比值、及溶劑的使用量皆會造成

氮化鋁漿料黏度與氮化鋁薄帶生胚機械性質

改變。在最佳比例條件下，生胚薄帶具有良好

切削性與疊壓性，其最高拉伸強度 0.251(Kgf/

mm2)，彈性係數值為 1.05。

關鍵字 :氮化鋁、刮刀成型、拉伸試驗

This study used a tape casting process to

fabricate aluminum nitride ceramic tapes. We

investigated the effect of various process parameter

on the quality of the aluminum nitride ceramic tapes.

These parameters included the ratios of the binder,

plasticizer, and solvent. Polyvinyl butyral (PVB)

series binders were mixed with different ratios of

plasticizer, organic solvent and aluminum nitride

powder to form appropriate viscous slurry. This

slurry was used to uniformly coat the PET films

during the tape casting process. Aluminum nitride

green f ilms were formed after the coated f ilms

completely dried. The tensile strength of the green

tapes were measured. We used toluene as solvent

instead of alcohol to avoid hydrolysis reaction of

aluminum nitride. Results of this investigatioin

indicated that different ratios of mixed adhesive/

plasticizer affected the viscosities of the slurry and

the tensile strength of the aluminium nitride green

films. The highest tensile strength of green films was

0.251 kg/mm2 and elastic modulus was 1.05.

Key words: Aluminum nitride, Tape casting,

Tensile strengthtest, PVB

壹、前　言

陶瓷基板材料以其優良的導熱性和氣密性，廣泛應用於功率電子、電子封裝、混合微電子

與多芯片模塊等領域，目前氧化鋁基板是電子工業中最常用的基板材料，隨著電子設備產品輕

薄短小化，開發出散熱性能優異之氮化鋁陶瓷產品。

氮化鋁陶瓷具有高出氧化鋁陶瓷 5-10倍之優良的導熱性，較低的介電常數和介質損耗、優

良的力學性能與絕緣性能、耐高溫及化學腐蝕，且與矽的熱膨脹係數相近，可應用於半導體電

子電路基板，取代傳統使用有毒物氧化鈹相關產品。然而，氮化鋁對環境的抗濕抗水解能力不

聯合大學材料科學工程學系　1研究生　

2專題生　

3教授

國家中山科學研究院化學所　4技士

－91－鑛冶 59/4

佳，容易與空氣中的水分反應產生水解而在氮化鋁顆粒表面生成氫氧化物 (1)形成非晶型多孔性

AlOOH(boehmite)與AlOH3(bayerite)，會使整體的氧含量增加，造成熱傳導質下降情況產生，

除了作為導熱性填充材料有熱傳導下降的負面影響外，對於電子元件封裝材料，反應期間所產

生的氨氣也會造成侵蝕金屬線路的影響。

目前陶瓷成型主要有輥軸軋製、粉末壓製、擠壓法、及刮刀成型法等。其中，刮刀成型法

是將漿料通過一刮刀平台使其塗覆在移動的膠膜帶上形成薄片 (2)，此法對於其他工藝較易製得

陶瓷生胚薄片，經由疊壓及切割過程，可得多層陶瓷胚體，適用於積層式陶瓷胚體製程。刮刀

製程中，配置一個理想的流變性陶瓷泥漿為成功的關鍵，漿料主要包含陶瓷粉末、黏劑、塑化

劑、分散劑、溶劑等 (3)，簡易漿料配比表格如表 1(4)。黏劑主要的功能是增加生胚薄帶強度及黏

度、形成顆粒間架橋、延緩沉降時間，並能於溶劑除去後提供強度 (5)，塑化劑主要目的為增加

胚體於成型過程的塑性變形 (6)，便於製程操作以及儲存，兩者在脫脂步驟時須容易完全分解而

不殘留。此外，薄帶會在生胚階段加工修正形狀，強度不足的薄帶容易出現加工缺陷，如鋸齒

切面或胚體變形 (7)，因此期望薄帶能有高的機械強度。

本研究使用刮刀成型法製成氮化鋁薄帶，探討氮化鋁漿料黏劑比例、黏劑 /塑化劑比值、

溶劑等對於刮刀成型薄帶之影響，並量測薄帶之基本、機械性質等特性，找尋各變因間最佳化

條件，預期製得 0.2kg/mm2以上強度，並達 40-70%應變量之平整性高、均勻塗佈之優秀特性之

氮化鋁刮刀成型陶瓷薄帶。

表 1　簡易漿料成分比例

材料 vol％

陶瓷粉末 AlN 55

分散劑 AAB 20wt% 粉末 1.5(wt%)

黏劑 (b)

BM-SZ

xBH-S

BH-3

塑化劑 (p) G-260 45-x

溶劑 (s) 甲苯 (b+p)/(b+p+s)=20wt%

貳、實驗步驟

本研究以商用氮化鋁（全鑫 001B4Y2Ca）為起始原料，其中粉末添加 4 mol% Y2O3及 2

mol% CaO為燒結助劑。並參考氮化鋁基板製程與刮刀成型技術 (8)，使用甲苯做為氮化鋁粉末

溶劑，按照氮化鋁最佳分散劑量，添加粉末重量比 1.5wt% AAB (polyoxyalkylene)。

製備氮化鋁刮刀成型漿料之配方如表 2所示，將商用氮化鋁粉末、聚乙烯醇縮丁醛黏結劑

(Sekisui BM-SZ、BH-S、BH-3)、及塑化劑 (Sekisui G-260)混合，並以甲苯或甲苯與酒精混和液

為溶劑添入適量分散劑以 80-100rpm速度均勻混合 12小時，均勻混和後的漿料經由真空除泡，

－92－ 一○四年十二月

靜置 20分鐘後，可得刮刀成型所需的氮化鋁泥漿，將此漿料以刮刀成型機（台技，台灣）製成

氮化鋁的生胚薄帶，刮刀座的間距為 0.8mm，薄帶行進速度為 1cm/sec，陶瓷生胚於室溫下靜

置，利用抽風罩加速乾燥時程。

完全乾燥後的氮化鋁生胚薄帶裁切成長 90mm、寬 6mm的拉伸測試樣品，測試生胚薄帶之

應力 -應變曲線。以桌上型臥式拉力機試驗機台（宏達，台灣）進行生胚拉伸試驗，最大拉伸

強度、彈性係數、伸長量、降伏強度等機械性質。薄帶生胚密度以阿基米德法量測，黏度值使

用黏度儀（Brookfield，美國）以 4號轉子測試棒在 10rpm轉速下測試 1分鐘後記錄。

表 2　氮化鋁刮刀成型漿料成分彙整表

編號 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

成

份

(g)

AlN 50

BM-SZ 6.97 - - 3.49 2.32 1.74 1.16 2.32 - 3.49 1.74 1.74 3.49

BH-S - 6.97 - 3.49 4.65 5.23 5.8 2.32 4.88 3.49 5.23 5.23 3.49

BH-3 - - 6.97 - - - - 2.32 2.09 - - - -

G-260 6.97 6.97 6.97 6.97 6.97 6.97 6.97 5.57 5.57 5.57 6.62 6.27 6.27

Ethanol - - - - - - - 28.43 34.12 34.12 - - -

Toluene 55.76 55.76 55.76 55.76 55.76 55.76 55.76 13.38 15.97 15.97 55.76 55.76 50.18

編號 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

成

份

(g)

AlN 50

BM-SZ 3.49 1.74 3.49 4.64 4.98 5.22 4.029 4.98 - 9.96 6.64 6.64

BH-S 3.49 5.23 3.49 4.64 4.98 5.22 4.029 4.98 9.96 - 3.32 3.32

BH-3 - - - - - - - - - - - -

G-260 6.27 5.58 6.97 4.64 3.98 3.48 3.22 3.98 3.98 3.98 3.98 3.98

Ethanol - - - - - - - - - - - -

Toluene 44.62 55.76 44.62 55.76 55.76 55.76 63.98 78.46 78.46 78.46 78.46 67.6

參、結果與討論

3.1 氮化鋁粉末與黏結劑比例

本研究先行使用商用黏結劑 (GMB705)與氮化鋁粉末配製刮刀成型所需的漿料，再經由刮

刀成型技術製成薄帶，其中參考文獻中 (8)陶瓷粉末與黏結劑配比，作為自製 binder基礎並加以

改良。在實驗過程中發現，若按照文獻比例調配之漿料成型的薄帶，表面會出現裂痕，原因為

binder無法完全包覆氮化鋁粉末導致團塊出現，在乾燥過程中薄帶不均勻收縮裂痕隨即出現，

因此在後續氮化鋁刮刀成型漿料實驗中，調整氮化鋁粉末含量體積比為 52 vol%。

3.2 黏劑對 AlN 陶瓷薄帶生胚性質影響

三種黏劑分子量低至高依序為BM-SZ、BH-S、BH-3，以相同比例混合於甲苯溶劑並製成

氮化鋁刮刀成型薄帶，其應力 -應變曲線圖與成分體積比關係如圖 1所示。實驗結果顯示，低

分子量黏劑BM-SZ呈現較低黏度 960 mPa‧s，最高拉伸強度 0.131 kg/mm2，中分子量BH-S

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呈現較高黏度值 4500 mPa‧s，最高拉伸強度 0.080 kg/mm2，而高分子量BH-3黏度值僅 1100

mPa‧s，且此漿料無法進行刮刀成形。當溶劑為純甲苯時，分子量越高的黏劑會出現部分未溶

解的情形，無法溶於甲苯使得分子鏈伸展性不佳，分子鏈中交叉連接 (cross-link)弱化，造成薄

帶生胚強度隨著分子量增加反之降低，尤其高分子量黏劑BH-3明顯表現此現象，且將其添加

於其他黏結劑中皆會造成強度下降以及薄帶胚體產生裂痕等問題，因此BH-3無法成為氮化鋁

刮刀成型漿料的選擇。

圖 1　單一黏劑成型之AlN生胚薄帶之應力 -應變圖與配比 (vol%)關係圖

3.3 混合黏劑對 AlN 陶瓷薄帶生胚性質影響

刮刀技術製程所使用的漿料需具有合適的黏度，黏度太低時生胚薄帶在乾燥過程中容易出

現微小裂痕且不平整，而黏度太高使會使漿料無法順利通過刮刀座，因此利用BM-SZ與BH-S

兩黏劑，依不同比例混合達到調整黏度值效果。

圖 2　混合黏劑成型之AlN生胚薄帶之應力 -應變圖與配比 (vol%)關係圖

兩種黏劑以不同比例混合於甲苯溶劑，並製成氮化鋁刮刀成型薄帶，其應力 -應變曲線與

成分體積比關係如圖 2所示，混合黏劑所配成的漿料黏度值落在單一黏劑配成的漿料黏度範圍

之間，且黏度值隨著中分子量黏結劑BH-S增加而上升，當BM-SZ:BH-S為 1：1、1：2、1：3

時，黏度值分別為 2000、2280、2920 mPa‧s，但經刮刀成型後的氮化鋁薄帶生胚最大拉伸強

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度三者約 0.07~0.08 kg/mm2，並未隨黏劑的比例調整而有所改變，其原因為分子鏈間糾結弱化

性質，使得陶瓷生胚強度降低亦不隨混合比例而變化。根據實驗結果顯示，刮刀成型技術的漿

料黏度值控制在 2000~4000 mPa‧s為合適，所製成薄帶較不易出現缺陷，且更能使粉末與漿料

均勻混合，減少凝聚團塊所造成的粗糙表面。

3.4 黏劑 / 塑化劑 (B/P 比 ) 對 AlN 陶瓷薄帶生胚性質影響

塑化劑可降低黏結劑間交錯聯結性、分子鏈間的凡得瓦力，能增進刮刀成型薄帶生胚的可

繞曲性，在氮化鋁漿料中加入適量的塑化劑能使薄帶具柔韌性、可加工性，且在乾燥過程中有

助於薄帶於 PET膠膜的附著性，但過量的塑化劑可能造成薄帶的應變量過大以及不易與膠膜分

離，因此調整漿料中黏劑 /塑化劑比值，尋求對於刮刀成型薄帶生胚最佳性質的漿料B/P配比。

各B/P比混合於甲苯溶劑並製成氮化鋁刮刀成型薄帶，其應力 -應變曲線圖與成分體積

比關係圖如圖 3，實驗中B/P比分別為 1、2、2.5，而刮刀成型薄帶強度隨著比值的增加上

升，依序為 0.07、0.086、0.129 kg/mm2。結果顯示降低塑化劑量增加薄帶生胚強度，但若降

低至B/P比為 3時，此時塑化劑量過低導致薄帶下層與 PET膠膜潤濕性不佳，產生與 PET膠

膜脫離現象，而使薄帶生胚翹曲且強度分布不均，氮化鋁刮刀成型漿料之B/P比值最佳條件

為 2.5。

圖 3　改變B/P比成型之AlN生胚薄帶之應力 -應變圖與配比 (vol%)關係圖

3.5 溶劑對 AlN 陶瓷薄帶生胚性質影響

在刮刀成型漿料中，揮發性溶劑佔約漿料總重量的八成，溶劑添加量不僅能影響漿料的黏

度值亦能影響薄帶生胚的最大拉伸強度及應變量。

改變甲苯溶劑量所製成的氮化鋁刮刀成型薄帶，其應力 -應變曲線與成分體積比關係如圖

4所示，在黏結劑BM-SZ:BHS比率為 1：1的漿料中降低 20%溶劑量，其黏度由 2000上升至

5100 mPa‧s，以此漿料進行刮刀成型後所得氮化鋁薄帶的拉伸強度增加，由 0.07增加至 0.122

kg/mm2，而薄帶應變量約為 50%。可得知漿料中的溶劑量減少，在成型過程中總收縮率發生了

改變，能提升薄帶之彈性係數、機械強度，並具有適當切削加工之韌性。

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圖 4　減少溶劑成型之AlN生胚薄帶之應力 -應變圖與配比 (vol%)關係圖

3.6 最佳 binder 配方製成之 AlN 陶瓷薄帶生胚性質分析

綜合氮化鋁刮刀成型漿料的影響因子，當B/P比值為 2.5時獲得最高拉伸強度，針對改善

其黏劑混合比與溶劑量可建立出最佳化之氮化鋁刮刀成型技術。

B/P=2.5不同配方製成的氮化鋁刮刀成型薄帶，其應力 -應變曲線圖與成分體積比關係圖如

圖 5，首先使用單一黏劑確認氮化鋁漿料黏度與兩者之刮刀成型薄帶機械性質，以黏結劑BM-

SZ、BH-S所製得漿料之黏度值分別為 920、3840 mPa‧s，生胚薄帶的最大拉伸強度為 0.205、

0.187 kg/mm2。混合黏劑調整至適合刮刀成型之漿料黏度，當BM-SZ:BH-S為 1:1、2:1時，

其黏度值為 2380、2140 mPa‧s，然而其拉伸強度如預期中些微降低，強度值分別為 0.129及

0.164 kg/mm2，選用薄帶強度高的配方，調降其溶劑量使用量為 15 wt%，可增加薄帶強度以及

使應變量落在需求範圍，氮化鋁薄帶具有拉伸強度 0.251 kg/mm2，彈性係數值為 1.05。

圖 5　B/P=2.5不同配方成型之AlN生胚薄帶之應力 -應變圖與配比 (vol%)關係圖

實驗結果得出氮化鋁刮刀成型薄帶生胚密度介於 1.9-2.1 g/cm3，漿料黏度值與生胚密度

結果並無任何關聯，漿料裡的固含量（氮化鋁粉末）比例為影響密度的主要因素。經由脫

脂、燒結製程後的燒結氮化鋁陶瓷基板如圖 6所示，其表面平整，線收縮率為 18.5%，密度為

3.3 g/cm3。

減少15 wt%溶劑

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圖 6　氮化鋁刮刀成型薄帶生胚與燒結熟胚

表 3　氮化鋁刮刀成型薄帶性質彙整表

編號 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

黏度 (mPa‧s) 960 4500 1100 2000 2280 2920 3220 6300 4100 1290 2980 2960 3440

生胚密度 (g/cm3) 1.99 1.98 - 1.9 2.06 2 1.99 - - - 2.02 1.99 2.06

T.S(kg/mm2) 0.131 0.08 - 0.07 0.076 0.085 0.063 - - - 0.083 0.102 0.15

彈性係數 0.88 0.56 - 0.52 0.51 0.51 0.7 - - - 0.73 0.75 0.94

伸長量 (mm) 18.7 18.3 - 25.9 34.4 34.4 31.5 - - - 96.5 76.5 22

Y.S(kg/mm2) 0.088 0.05 - 0.045 0.052 0.052 0.025 - - - 0.052 0.069 0.105

註 - - 裂 - - - - 裂 裂 裂 - - -

編號 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

黏度 (mPa‧s) 5100 2960 5100 5960 9800 6100 1700 2380 2840 920 2140 2700

生胚密度 (g/cm3) 1.97 1.89 1.98 1.96 2.15 2.02 1.94 2.02 2.07 2.08 2.09 2.09

T.S(kg/mm2) 0.152 0.115 0.122 0.086 0.27 0.251 0.14 0.129 0.187 0.205 0.164 0.251

彈性係數 0.99 0.78 0.62 0.53 1.45 1.35 0.45 1 0.81 0.92 0.72 1.05

伸長量 (mm) 22 56 25.6 58.4 24.5 58.5 46.5 68.2 43.5 70.5 39.5 27.5

Y.S(kg/mm2) 0.104 0.078 0.073 0.056 0.189 0.159 0.09 0.077 0.123 0.133 0.07 0.159

註 - - - - 翹曲 翹曲 - - - - - -

生胚燒結熟胚

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肆、結　論

本研究以商用氮化鋁粉末、黏結劑、塑化劑、及溶劑備製漿料，經刮刀成形法製成氮化鋁

生胚薄帶，實驗結果顯示。氮化鋁漿料黏度值介於 2000 – 4000 mPa‧s適合刮刀成型製程，不

同比例黏結劑混合及溶劑使用量可調整漿料黏度值，無論黏度值大小，乾燥後的薄帶生胚密

度約為 2 g/cm3左右。適量的塑化劑可使薄帶具柔韌性、增加其加工可行性，且於乾燥過程中

可促進薄帶對於 PET膠膜的附著性。黏結劑 /塑化劑 (B/P)比值增加及溶劑使用量減少可提升

刮刀成型薄帶之強度。研究中所得最佳機械性質的氮化鋁生胚薄帶，其最大拉伸強度為 0.251

Kgf/mm2，其彈性係數為 1.05，經裁切、除脂後燒結，能製得表面平整的氮化鋁基板。

誌謝　本計劃經費由中山科學研究院支持，計畫編號CSIST-176-V 101(102)。

參考文獻(1) Oliveira, M., et al.“Controlling hydrolysis and dispersion of AlN powders in aqueous media.”Journal of colloid and interface

science 261[2], 456-463, 2003

(2) Gurauskis, J., A. J. Sanchez-Herencia, and C. Baudin.“Joining green ceramic tapes made from water-based slurries by

applying low pressures at ambient temperature.”Journal of the European Ceramic Society 25[15], 3403-3411, 2005.

(3) Mistler, Richard E., and Eric R. Twiname. Tape Casting : Theory And Practice. Westerville, OH: American Ceramic Society,

2000. eBook Collection (EBSCOhost). Web. 15 July2014.

(4) 許志雄、柯有黛，2001，「陶瓷積層制動器之製程設計」，工程科技通訊，第 59期 9-13頁。

(5) Reed, James Stalford.“Principles of ceramics processing.”(1995).

(6) 汪建民，1994，「陶瓷技術手冊」，中華民國粉末冶金學會。

(7) Van der Beek, G. P., U. Gontermann-Gehl, and E. Krafczyk.“Binder distribution in green ceramic foils.”Journal of the

European Ceramic Society15[8], 741-758, 1995.

(8) 楊旻諭、陳正康、劉坤儒、許志雄，2013，「氮化鋁基板製程與刮刀成型技術」，中華民國陶業研究學會會刊，第

三十三卷，第一期 14-19頁。

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