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CN112159236A - 高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents

高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法 Download PDF

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CN112159236A CN202011118907.XA CN202011118907A CN112159236A CN 112159236 A CN112159236 A CN 112159236A CN 202011118907 A CN202011118907 A CN 202011118907A CN 112159236 A CN112159236 A CN 112159236A
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Abstract

本发明公开了一种高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法，属于陶瓷基板材料技术领域。该方法包括将氮化硅粉、烧结助剂、炭黑、磷酸三乙酯和溶剂，一次球磨混合；加入粘结剂和增塑剂后二次球磨，得到浆料；真空脱泡处理后用流延成型制得薄片状素坯；真空排胶后进行高温烧结，得到氮化硅陶瓷基板。本发明通过在原料配比中引入炭黑，并且烧结分两步加热进行，使炭黑和氮化硅的氧杂质在合适的温度和气氛条件下充分地发生化学反应，有效地降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量，从而提高其热导率。本发明所制备的氮化硅陶瓷基板具有高热导率和高抗弯强度的良好性能。

Description

高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷基板材料技术领域，具体涉及一种高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
功率电子器件在电力存储，电力输送，电动汽车，电力机车等众多工业领域得到越来越广泛的应用。随着功率电子器件本身不断的大功率化和高集成化，芯片在工作过程中将会产生大量的热。如果这些热量不能及时有效地发散出去，功率电子器件的工作性能将会受到影响，严重的话，功率电子器件本身会被破损。这就要求担负绝缘和散热功能的陶瓷基板封装材料必须具备卓越的机械性能和导热性能。
目前，功率电子器件的陶瓷基板封装材料主要有三种：氧化铝，氮化铝，氮化硅。对于新一代的大功率化和高集成化的功率电子器件来说，氧化铝因为机械强度和热导率都不高而不能胜任；氮化铝尽管热导率很高，但其机械性能不够高，因此也不能胜任。至于氮化硅，其抗弯强度和断裂韧性等机械性能在各种结构陶瓷里非常出众，但其热导率还有待进一步提高。
氮化硅陶瓷所含的氧杂质是影响其热导率的主要因素之一。氮化硅的氧杂质一旦固溶到晶粒内成为晶格氧就会引起晶格缺陷的产生，晶格缺陷又引起声子散射，从而导致热导率降低。因此，如何提高氮化硅陶瓷的热导率的问题，就是一个如何降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量的问题。反之，如果能找到一个方法来有效地降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量，那么就有可能提高所制备的氮化硅陶瓷的热导率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题在于提供一种高导热氮化硅陶瓷基板，该陶瓷基板氮化硅陶瓷所含晶格氧杂质含量降低，热导率得到明显提升。本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，在制备过程中引入炭黑，并且高温烧结分两步进行，使炭黑和氮化硅的氧杂质在合适的温度和气氛条件下充分地发生化学反应，去除或部分去除氧杂质，有效地降低氮化硅的晶格氧含量和晶格缺陷。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
第一步：将氮化硅粉、烧结助剂、炭黑、磷酸三乙酯和溶剂，用球磨方式进行第一次混合；
第二步，第一次混合之后，继续加入聚乙烯醇缩丁醛和聚乙二醇，用球磨方式进行第二次混合，得到浆料；
第三步，将浆料倒入容器，置于真空脱泡机里进行脱泡处理；
第四步，将脱泡处理后的浆料用流延成型的方法制备出薄片状素坯；
第五步，将薄片状素坯置于排胶炉中进行排胶处理，将素坯里所含有机成分热解去除；
第六步，将排胶后的素坯置于高温烧结炉中进行烧结，得到氮化硅陶瓷基板。
所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，所述的烧结助剂为稀土氧化物和氧化镁的混合物；稀土氧化物和氧化镁的质量比为1:0.5～1:3；烧结助剂和氮化硅粉的质量比为1:10～1:40。
所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，炭黑和氮化硅粉的质量比为1:50～1:500。
所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，磷酸三乙酯和氮化硅粉的质量比为1:20～1:200，聚乙烯醇缩丁醛和氮化硅粉的质量比为1:5～1:20，所述聚乙二醇和氮化硅粉的质量比为1:5～1:30。
所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，所述溶剂为无水乙醇和丁酮的混合溶液，其中无水乙醇和丁酮的质量比为1:1；溶剂和氮化硅粉的质量比为1:0.5～1:2。
所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，第一次球磨和第二次球磨的时间均为24小时。
所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，所述排胶处理是在真空条件下，在400～600℃的温度下，保温1～10小时。
所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，所述高温烧结是在0.1～10MPa的氮气气氛中，在1750～1950℃条件下，保温1～20小时处理而成。
所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，所述高温烧结分两步加热进行，首先，在真空条件下，加热至1200～1500℃后，保温1～5小时；然后，在0.1～10MPa的氮气压力下，继续加热至1750～1950℃，保温1～20小时处理而成。
上述制备方法制备得到的高导热氮化硅陶瓷基板。
有益效果：与现有的技术相比，本发明的优点包括：
(1)本发明在制备氮化硅陶瓷基板的工艺过程中添加炭黑，并且烧结分两步加热进行，使炭黑和氮化硅的氧杂质在合适的温度和气氛条件下充分地发生化学反应，去除或部分去除氧杂质，有效地降低氮化硅的晶格氧含量和晶格缺陷，从而使制备出的氮化硅陶瓷基板具有比现有技术所能制备的氮化硅陶瓷基板更高的热导率。
(2)本发明的工艺过程，操作简便，效果明显。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法如下：
第一步，称取80.0g氮化硅粉和作为烧结助剂的2.5g氧化镧粉及1.5g氧化镁粉放入球磨桶，再加入1.2g磷酸三乙酯，然后加入65.0g无水乙醇和丁酮的混合液(其中无水乙醇和丁酮的质量比为1:1)，进行第一次球磨，球磨时间为24小时；
第二步，第一次球磨结束后，打开球磨桶，加入4.8g聚乙烯醇缩丁醛和3.0g聚乙二醇，进行第二次球磨，球磨时间为24小时；
第三步，第二次球磨结束后，将浆料倒入容器，置于真空脱泡机中进行脱泡处理；
第四步，将脱泡处理后的浆料倒入流延机的料槽，进行流延成型，得到薄片状素坯带；
第五步，将素坯带裁切成所定尺寸的素坯片，置于真空排胶炉中，加热至500℃，保温2小时，进行排胶处理，将素坯所含有机成分热解去除；
第六步，将排胶后的素坯片置于高温气压烧结炉中，在10个大气压的氮气气氛中，以每分钟10℃的升温速率加热至1850℃，并保温6小时，然后随炉冷却，得到致密的氮化硅陶瓷基板。
对本实施例制备出的氮化硅陶瓷基板的性能进行评价。其强度经三点抗弯法测试为690MPa，其热导率经激光闪射法测试为62W/(mK)。
实施例2
高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法如下：
第一步，称取80.0g氮化硅粉和作为烧结助剂的2.5g氧化镧粉及1.5g氧化镁粉放入球磨桶，再称取作为碳还原剂的0.8g炭黑放入球磨桶，再加入1.2g磷酸三乙酯分散剂，然后加入65.0g无水乙醇和丁酮的混合液(其中无水乙醇和丁酮的质量比为1:1)，进行第一次球磨，球磨时间为24小时；
第二步，第一次球磨结束后，打开球磨桶，加入4.8g聚乙烯醇缩丁醛和3.0g聚乙二醇，进行第二次球磨，球磨时间为24小时；
第三步，第二次球磨结束后，将浆料倒入容器，置于真空脱泡机里进行脱泡处理；
第四步，将脱泡处理后的浆料倒入流延机的料槽，进行流延成型，得到薄片状素坯带；
第五步，将素坯带裁切成所定尺寸的素坯片，置于真空排胶炉中，加热至500℃，保温2小时，进行排胶处理，将素坯所含有机成分热解去除；
第六步，将排胶后的素坯片置于高温气压烧结炉中，在10个大气压的氮气气氛中，以每分钟10℃的升温速率加热至1850℃，并保温6小时，然后随炉冷却，得到致密的氮化硅陶瓷基板；
对本实施例制备出的氮化硅陶瓷基板的性能进行评价。其强度经三点抗弯法测试为700MPa，其热导率经激光闪射法测试为75W/(mK)。
与实施例1相比，实施例2中通过引入炭黑作为碳还原剂，在高温烧成过程中，炭黑与存在于氮化硅表面及内部的二氧化硅发生以下化学反应，6C+3SiO2+2N2＝Si3N4+6CO，导致制备出的氮化硅陶瓷所含晶格氧杂质含量减少，从而使其热导率从62W/(mK)提高到75W/(mK)。
实施例3
高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法如下：
第一步，称取80.0g氮化硅粉和作为烧结助剂的2.5g氧化镧粉及1.5g氧化镁粉放入球磨桶，再称取作为碳还原剂的0.8g炭黑放入球磨桶，再加入1.2g磷酸三乙酯，然后加入65.0g无水乙醇和丁酮的混合液(其中无水乙醇和丁酮的质量比为1:1)，进行第一次球磨，球磨时间为24小时；
第二步，第一次球磨结束后，打开球磨桶，加入4.8g聚乙烯醇缩丁醛和3.0g聚乙二醇，进行第二次球磨，球磨时间为24小时；
第三步，第二次球磨结束后，将浆料倒入容器，置于真空脱泡机里进行脱泡处理；
第四步，将脱泡处理后的浆料倒入流延机的料槽，进行流延成型，得到薄片状素坯带；
第五步，将素坯带裁切成所定尺寸的素坯片，置于真空排胶炉中，加热至500℃，保温2小时，进行排胶处理，将素坯所含有机成分热解去除；
第六步，将排胶后的素坯片置于高温气压烧结炉中，在真空条件下，以每分钟10℃的升温速率加热至1450℃，并保温2小时；
第七步，在1450℃保温2小时后导入氮气，直至炉内氮气压力达到10个大气压，接着以每分钟10℃的速率继续升温至1850℃，并保温6小时；然后随炉冷却，得到致密的氮化硅陶瓷基板。
对本实施例制备出的氮化硅陶瓷基板的性能进行评价。其强度经三点抗弯法测试为710MPa，其热导率经激光闪射法测试为86W/(mK)。
与实施例2相比，实施例3的烧成过程中不是直接升温至1850℃进行保温，而是增加了一个在真空条件下于1450℃保温2小时的步骤。通过这样做，炭黑与氮化硅表面及内部的二氧化硅的化学反应6C+3SiO2+2N2＝Si3N4+6CO得以更充分地进行，更加有效地减少所制备出的氮化硅陶瓷的晶格氧杂质含量，从而使其热导率从75W/(mK)提高到86W/(mK)。
实施例4
高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法如下：
第一步，称取80.0g氮化硅粉和作为烧结助剂的2.5g氧化镧粉及1.5g氧化镁粉放入球磨桶，再称取作为碳还原剂的0.8g炭黑放入球磨桶，再加入1.2g磷酸三乙酯，然后加入65.0g无水乙醇和丁酮的混合液(其中无水乙醇和丁酮的质量比为1:1)，进行第一次球磨，球磨时间为24小时；
第二步，第一次球磨结束后，打开球磨桶，加入4.8g聚乙烯醇缩丁醛和3.0g聚乙二醇，进行第二次球磨，球磨时间为24小时；
第三步，第二次球磨结束后，将浆料倒入容器，置于真空脱泡机里进行脱泡处理；
第四步，将脱泡处理后的浆料倒入流延机的料槽，进行流延成型，得到薄片状素坯带；
第五步，将素坯带裁切成所定尺寸的素坯片，置于真空排胶炉中，加热至500℃，保温2小时，进行排胶处理，将素坯所含有机成分热解去除；
第六步，将排胶后的素坯片置于高温气压烧结炉中，在真空条件下，以每分钟10℃的升温速率加热至1450℃，并保温2小时。
第七步，在1450℃保温2小时后导入氮气，直至炉内氮气压力达到10个大气压，接着以每分钟10℃的速率继续升温至1900℃，并保温10小时；然后随炉冷却，得到致密的氮化硅陶瓷基板。
对本实施例制备出的氮化硅陶瓷基板的性能进行评价。其强度经三点抗弯法测试为620MPa，其热导率经激光闪射法测试为95W/(mK)。
与实施例3相比，实施例4的烧结温度提高了50℃，为1900℃；并且保温时间延长了4小时，为10小时。当烧结在更高的温度和更长的保温时间的条件下进行时，氮化硅的晶格氧杂质含量得到进一步的减少，同时氮化硅晶粒得到进一步的长大，这两个变化都有利于提高热导率。其结果是热导率从86W/(mK)提高到95W/(mK)。但是必须指出的是，过度的晶粒长大可能会导致所制备出的材料的机械强度降低。事实上，与实施例3相比，实施4的氮化硅陶瓷的三点抗弯强度从710MPa降至620MPa。

Claims (10)

1.一种高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将氮化硅粉、烧结助剂、炭黑、磷酸三乙酯和溶剂，用球磨方式进行第一次混合；
第二步，第一次混合之后，继续加入聚乙烯醇缩丁醛和聚乙二醇，用球磨方式进行第二次混合，得到浆料；
第三步，将浆料倒入容器，置于真空脱泡机中进行脱泡处理；
第四步，将脱泡处理后的浆料用流延成型的方法制备出薄片状素坯；
第五步，将薄片状素坯置于排胶炉中进行排胶处理；
第六步，将排胶后的素坯置于高温烧结炉中进行烧结，得到氮化硅陶瓷基板。
2.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂为稀土氧化物和氧化镁的混合物，稀土氧化物和氧化镁的质量比为1:0.5～1:3；烧结助剂和氮化硅粉的质量比为1:10～1:40。
3.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，炭黑和氮化硅粉的质量比为1:50～1:500。
4.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，磷酸三乙酯和氮化硅粉的质量比为1:20～1:200，聚乙烯醇缩丁醛和氮化硅粉的质量比为1:5～1:20，所述聚乙二醇和氮化硅粉的质量比为1:5～1:30。
5.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述溶剂为无水乙醇和丁酮的混合溶液，其中无水乙醇和丁酮的质量比为1:1；溶剂与氮化硅粉的质量比为1:0.5～1:2。
6.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，第一次球磨和第二次球磨的时间均为24小时。
7.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述排胶处理为在真空条件下，在400～600℃的温度下，保温1～10小时。
8.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述高温烧结是在0.1～10MPa的氮气气氛中，在1750～1950℃条件下，保温1～20小时处理而成。
9.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述高温烧结分两步加热进行，首先，在真空条件下，加热至1200～1500℃后，保温1～5小时；然后，在0.1～10MPa的氮气压力下，继续加热至1750～1950℃，保温1～20小时处理而成。
10.根据权利要求1～9所述制备方法制备得到的高导热氮化硅陶瓷基板。
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