一種硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法
【專利摘要】本發明公開了一種硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，屬于絕緣基板技術領域。本發明以硅粉和無機助燒添加劑為原料，以蓖麻油為分散劑，以聚乙烯醇縮丁醛為粘接劑，根據硅粉表面的化學狀態和顆粒尺寸，加入有利于硅粉流延成型的增塑劑，制備出厚度可調、表面光滑、無裂紋以及無氣孔的大面積生坯，將生坯經排膠后，通過高溫燒結制備出熱導率大于50W·m?1·K?1，抗彎強度大于600MPa，斷裂韌性大于8MPa·m1/2的氮化硅陶瓷基板。
【專利說明】
一種硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法
技術領域
[0001]本發明屬于絕緣基板技術領域，特別涉及一種硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法。
【背景技術】
[0002]近年來，高電壓、大功率半導體模塊和超大功率LED照明在各個工業領域獲得越來越多的應用，而用于搭載功率半導體模塊的絕緣基板廣泛使用陶瓷材料。目前，在功率模塊領域廣泛使用的絕緣基板材料主要是氧化鋁和氮化鋁基板。其中，氧化鋁基板的優勢在于成本低，但力學性能和熱導率偏低，常用于功率較低的模塊。氮化鋁基板具有高的熱導率，常用于功率較大的模塊。
[0003]然而，隨著半導體模塊的功率越來越大，工作電流也隨之增加，使得具有不同熱膨脹系數的陶瓷基板和金屬電路板之間的熱應力增加，導致陶瓷基板與金屬結合處容易產生裂縫，甚至出現陶瓷基板的斷裂。此外，當半導體功率模塊使用在車輛等移動設施上，具體的使用工況存在復雜而又頻繁的振動，容易導致陶瓷基板出現斷裂。因此需要力學性能優良的陶瓷基板才能夠保證大功率半導體模塊的正常工作和使用壽命，從而提高其可靠性，在這點上，氮化招和氧化招都難以滿足要求。
[0004]氮化硅陶瓷具有高的力學性能，其抗彎強度和斷裂韌性是氮化鋁和氧化鋁的2?3倍，并且具有較高的熱導率以及極好的熱輻射性和耐熱循環性，采用氮化硅陶瓷作為基板，能夠確保電路板具有較大的撓度、抗折斷強度和熱傳導性，從而保證大功率模塊在使用過程中的可靠性。此外，由于氮化硅陶瓷基板具有極好的抗彎強度，與氮化鋁或者氧化鋁陶瓷基板相比而言，可以采用厚度較薄的氮化硅基板，進而使得熱阻得到降低。
[0005]制備氮化硅陶瓷基板的方式主要有兩種，一是先采用氮化硅粉體燒結出氮化硅陶瓷塊體，再進行切割獲得所需厚度的陶瓷基板，這種方法制備的氮化硅陶瓷基板成本高昂，如專利CN 1192989C所制備的氮化硅陶瓷基板。另外一種是采用氮化硅粉通過流延成型的方法制備氮化硅陶瓷基板，該方法無需經過機械切割，可以直接生產出所需厚度的氮化硅陶瓷基板，相對于燒結后再切割的方式而言，成本大幅度降低，如專利CN 103781742 A和專利CN 100398491C和CN 103922746 A所制備的氮化硅陶瓷基板。以上的氮化硅基板制備方式有一個共同的特征，即原料選用的是氮化硅粉，而原料采用氮化硅粉體一方面成本較高，另一方面由于存在氮化硅粉體的制備過程，容易引入一些不易確定的影響導致產品的一致性和良品率降低。對于氮化硅基板而言，降低其生產成本，提高生產過程的可控性是非常關鍵的問題，如果可以采用硅粉流延成型，直接制備氮化硅基板將有利于產品一致性的提高，同時較大幅度的降低生產成本。
【發明內容】
[0006]為克服現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法。本發明以硅粉為主要原料，采用流延法制備氮化硅基板。本發明以硅粉和無機助燒添加劑為原料，以蓖麻油為分散劑，以聚乙烯醇縮丁醛為粘接劑，根據硅粉表面的化學狀態和顆粒尺寸，加入有利于硅粉流延成型的增塑劑，制備出厚度可調、表面光滑、無裂紋以及無氣孔的大面積硅粉生坯，將生坯經排膠后，通過高溫燒結制備出高力學性能、高熱導率的氮化硅陶瓷基板。
[0007]本發明的目的通過下述技術方案實現:一種硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，包括以下步驟:
[0008](I)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉、無機燒結助劑和分散劑，添加重量為無機物1.2-1.5倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質進行第一次球磨;②往第一次球磨后的漿料中加入粘接劑和增塑劑，進行第二次球磨;③將第二次球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度合適的漿料；
[0009](2)生坯的制備:將脫泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，經過干燥后獲得厚度為0.1mm?2.2mm的無氣孔無裂紋表面光滑素坯，然后按照所需的要求進行裁切，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯；
[0010](3)燒結:將脫脂后的生坯放入石墨坩禍中，升溫到1350°(:?1420°(:保溫0.5-4小時，然后升溫到1780 0C?1950 0C，保溫2_5小時后，燒結期間的燒結氣氛為l_50atm的氮氣，然后降溫到1600°C?1200°C，之后進行隨爐冷卻，獲得機械性能優越的高熱導率氮化硅陶瓷基板。
[0011 ]步驟(I)中所述的硅粉與無機燒結助劑的質量分數比例為4?100:1;
[0012]步驟(I)中所述的硅粉與分散劑的質量分數比例為40?60:1;
[0013]步驟(I)中所述的無機物為前述添加的硅粉、無機燒結助劑和分散劑；
[0014]步驟(I)中所述的硅粉與粘接劑的質量分數比例為9?20:1;
[0015]步驟(I)中所述的硅粉與增塑劑的質量分數比例為9?20:1。
[0016]步驟(I)中所述的娃粉的粒徑為0.Ιμπι?ΙΟμπι，純度為99%?100%。
[00?7 ]步驟(I)中所述的無機燒結助劑為MgO、Zr02和稀土氧化物的一種或多種。
[0018]步驟(I)中所述的分散劑為蓖麻油。
[0019]步驟(I)中所述的粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛。
[0020]步驟(I)中所述的增塑劑三甘醇二異辛酸酯、三甘醇二正庚酸酯、二丙二醇二苯甲酸酯、癸二酸二辛酯中的一種或幾種。
[0021 ]步驟(I)中所述的第一次球磨的時間優選為20小時。
[0022 ]步驟(I)中所述的第二次球磨的時間優選為24小時。
[0023]步驟(3)中所述的升溫的升溫速率為5°C/min?30°C/min，所述的降溫的降溫速率為 I °C/min ?2CTC/min0
[0024]本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
[0025]本發明用硅粉為主要原料采用流延成型，通過燒結制備出了高熱導率、力學性能優越的氮化硅陶瓷基板，大幅度降低大面積氮化硅陶瓷基板的生產成本。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明實施例1獲得的脫脂后的生坯的掃描電子顯微鏡照片圖；
[0027]圖2是本發明實施例2獲得的氮化硅陶瓷基板的斷面的掃描電子顯微鏡照片圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0029]實施例1
[0030](I)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉((150 = 4μπι)、無機燒結助劑和分散劑；其中，無機燒結助劑為MgO，Lu2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，無機燒結助劑粉體與硅粉的比例為1:9;分散劑為蓖麻油，分散劑與硅粉的比例為1:50;添加重量為無機物(硅粉、無機燒結助劑和分散劑)1.2倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質，混合球磨20小時;②往球磨后的漿料中加入粘接劑和環保型增塑劑;其中，塑劑為三甘醇二異辛酸酯，增塑劑與硅粉的比例1:8;粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛，粘接劑與硅粉的比例為1:8;再次混合球磨24小時;③將球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度大約為20000mPa.s的漿料；
[0031](2)生坯的制備:將除去氣泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，流延機刀口的高度為2mm，經過干燥后獲得無氣孔無裂紋的素坯，然后按照所需的要求進行裁切，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯;脫脂后的生坯掃描電子顯微鏡圖片如圖1所示。
[0032]實施實例2
[0033](I)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉((150 = 4μπι)、無機燒結助劑和分散劑；其中，無機燒結助劑為MgO，Lu2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，無機燒結助劑粉體與硅粉的比例為1:9;分散劑為蓖麻油，分散劑與硅粉的比例為1:50;添加重量為無機物(硅粉、無機燒結助劑和分散劑)1.2倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質，混合球磨20小時;②往球磨后的漿料中加入粘接劑和環保型增塑劑;其中，塑劑為三甘醇二異辛酸酯，增塑劑與硅粉的比例1:8;粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛，粘接劑與硅粉的比例為1:8;再次混合球磨24小時;③將球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度合適的漿料。
[0034](2)生坯的制備:將除去氣泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，流延機刀口的高度為2mm，經過干燥后獲得無氣孔無裂紋的素坯，裁切成10cm*10cm的素坯，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯。
[0035](3)燒結:將脫脂后的生坯放入石墨坩禍中，以20°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C保溫2小時，然后以1 °C /min的升溫速率將溫度升到1820 °C，保溫5小時后，以1 °C /min的降溫速率將溫度降到1200°C，之后進行隨爐冷卻，整個過程燒結氣氛為Iatm的氮氣，獲得的氮化硅陶瓷基板熱導率大于50W.m—1.K—S斷裂韌性大于7MPa.mV2，抗彎強度大于600MPa，氮化硅陶瓷基板的斷面掃描電子顯微鏡圖片如圖2所示。
[0036]實施實例3
[0037](I)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉((150 = 8μπι)、無機燒結助劑和分散劑。其中，無機燒結助劑為MgO，Gd2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，無機燒結助劑粉體與硅粉的比例為1:9;分散劑為蓖麻油，分散劑與硅粉的比例為1:50。添加重量為無機物(硅粉、無機燒結助劑和分散劑)1.5倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質，混合球磨20小時;②往球磨后的漿料中加入粘接劑和環保型增塑劑;其中，塑劑為三甘醇二正庚酸酯，增塑劑與硅粉的比例1:10;粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛，粘接劑與硅粉的比例為1:10;再次混合球磨24小時;③將球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度合適的漿料；
[0038](2)生坯的制備:將除去氣泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，流延機刀口的高度為2.5mm，經過干燥后獲得無氣孔無裂紋的素坯，然后按照所需的要求進行裁切，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯；
[0039](3)燒結:將脫脂后的生坯放入石墨坩禍中，以20°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C保溫2小時，然后以1 °C /min的升溫速率將溫度升到1850 °C，保溫2小時后，以1°C /min的降溫速率將溫度降到1500°C，之后進行隨爐冷卻，燒結氣氛為30atm的氮氣，獲得的Si3N4陶瓷基板熱導率大于80W.m—1.K—S斷裂韌性大于9MPa.m1氣抗彎強度大于700MPa。
[0040]實施實例4
[0041 ] (I)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉(d50 = 0.2μπι)、無機燒結助劑和分散劑；其中，無機燒結助劑為MgO，Gd2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，無機燒結助劑粉體與硅粉的比例為1:9;分散劑為蓖麻油，分散劑與硅粉的比例為1:40;添加重量為無機物(硅粉、無機燒結助劑和分散劑)1.2倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質，混合球磨20小時;②往球磨后的漿料中加入粘接劑和環保型增塑劑;其中，增塑劑為二丙二醇二苯甲酸酯和癸二酸二辛酯混合液(兩者的質量分數為1:1)，增塑劑與硅粉的比例1:6;粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛，粘接劑與硅粉的比例為1:10;再次混合球磨24小時;③將球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度合適的漿料；
[0042](2)生坯的制備:將除去氣泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，流延機刀口的高度為0.8mm，經過干燥后獲得無氣孔無裂紋的素坯，然后按照所需的要求進行裁切，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯；
[0043](3)燒結:將脫脂后的生坯放入石墨坩禍中，以20°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C保溫2小時，然后以1 °C /min的升溫速率將溫度升到1850 °C，保溫2小時后，以1 °C /min的降溫速率將溫度降到1200°C，之后進行隨爐冷卻，整個過程燒結氣氛為Iatm的氮氣，獲得的Si3N4陶瓷基板熱導率大于60W.m—1.K—S斷裂韌性大于7MPa.mV2，抗彎強度大于600MPao
[0044]實施實例5
[0045](I)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉((150 = 0.2μπι)、無機燒結助劑和分散劑；其中，無機燒結助劑為MgO，Lu2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，無機燒結助劑粉體與硅粉的比例為1:9;分散劑為蓖麻油，分散劑與硅粉的比例為1:40;添加重量為無機物(硅粉、無機燒結助劑和分散劑)1.5倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質，混合球磨20小時;②往球磨后的漿料中加入粘接劑和環保型增塑劑;其中，增塑劑為三甘醇二正庚酸酯和癸二酸二辛酯混合液(兩者的質量分數為2:1)，增塑劑與硅粉的比例1:10;粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛，粘接劑與硅粉的比例為1:6;再次混合球磨24小時;③將球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度合適的漿料；
[0046](2)生坯的制備:將除去氣泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，流延機刀口的高度為2.8mm，經過干燥后獲得無氣孔無裂紋表面光滑的素坯，然后按照所需的要求進行裁切，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯；
[0047](3)燒結:將脫脂后的生坯放入石墨坩禍中，以20°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C保溫2小時，然后以1 °C /min的升溫速率將溫度升到1900 °C，保溫2小時后，以5 °C /min的降溫速率將溫度降到1200°C，之后進行隨爐冷卻，燒結氣氛為9atm的氮氣，獲得的Si3N4陶瓷基板熱導率大于70W.m—1.K—S斷裂韌性大于9MPa.m1氣抗彎強度大于700MPa。
[0048]實施實例6
[0049](I)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉(d50 = ΙΟμπι)、無機燒結助劑和分散劑;其中，無機燒結助劑為MgO，Gd2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，無機燒結助劑粉體與硅粉的比例為1:9;分散劑為蓖麻油，分散劑與硅粉的比例為1:50;添加重量為無機物(硅粉、無機燒結助劑和分散劑)1.5倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質，混合球磨20小時;②往球磨后的漿料中加入粘接劑和環保型增塑劑;其中，增塑劑為三甘醇二正庚酸酯和癸二酸二辛酯混合液(兩者的質量分數為2:1)，增塑劑與硅粉的比例1:10;粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛，粘接劑與硅粉的比例為1:10;再次混合球磨24小時;③將球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度合適的漿料；
[0050](2)生坯的制備:將除去氣泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，流延機刀口的高度為2.8mm，經過干燥后獲得無氣孔無裂紋表面光滑的素坯，然后按照所需的要求進行裁切，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯；
[0051](3)燒結:將脫脂后的生坯放入石墨坩禍中，以20°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C保溫2小時，然后以1 °C /min的升溫速率將溫度升到1850 °C，保溫2小時后，以5 °C /min的降溫速率將溫度降到1200°C，之后進行隨爐冷卻，燒結氣氛為9atm的氮氣，獲得的Si3N4陶瓷基板熱導率大于70W.m—1.K—S斷裂韌性大于8MPa.m1氣抗彎強度大于700MPa。
[0052]實施實例7
[0053](I)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉((150 = 0.5μπι)、無機燒結助劑和分散劑；其中，無機燒結助劑為MgO，Lu2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，無機燒結助劑粉體與硅粉的比例為1:9;分散劑為蓖麻油，分散劑與硅粉的比例為1:50;添加重量為無機物(硅粉、無機燒結助劑和分散劑)1.5倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質，混合球磨20小時;②往球磨后的漿料中加入粘接劑和環保型增塑劑;其中，增塑劑為三甘醇二正庚酸酯和癸二酸二辛酯混合液(兩者的質量分數為2:1)，增塑劑與硅粉的比例1:10;粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛，粘接劑與硅粉的比例為1:6;再次混合球磨24小時;③將球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度合適的漿料；
[0054](2)生坯的制備:將除去氣泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，流延機刀口的高度為0.8mm，經過干燥后獲得無氣孔無裂紋表面光滑的素坯，然后按照所需的要求進行裁切，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯；
[0055](3)燒結:將脫脂后的生坯放入石墨坩禍中，以20°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C保溫2小時，然后以1 °C /min的升溫速率將溫度升到1850 °C，保溫2小時后，以5 °C /min的降溫速率將溫度降到1200°C，之后進行隨爐冷卻，燒結氣氛為9atm的氮氣，獲得的Si3N4陶瓷基板熱導率大于70W.m—1.K—S斷裂韌性大于8MPa.m1氣抗彎強度大于700MPa。
[0056]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)流延漿料的制備:①按配比稱量硅粉、無機燒結助劑和分散劑，添加重量為無機物1.2-1.5倍的無水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球為球磨介質進行第一次球磨;②往第一次球磨后的漿料中加入粘接劑和增塑劑，進行第二次球磨;③將第二次球磨后得到的漿料在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到粘度合適的漿料； (2)生坯的制備:將脫泡的漿料采用流延方法進行素坯成型，經過干燥后獲得厚度為0.1mm?2.2mm的無氣孔無裂紋表面光滑素坯，然后按照所需的要求進行裁切，在真空脫脂爐中進行真空排膠，獲得脫脂后的生坯； (3)燒結:將脫脂后的生坯放入石墨坩禍中，升溫到1350°C?1420°C保溫0.5-4小時，然后升溫到1780°C?19500C，保溫2_5小時后，燒結期間的燒結氣氛為l_50atm的氮氣，然后降溫到1600°C?1200°C，之后進行隨爐冷卻，獲得機械性能優越的高熱導率氮化硅陶瓷基板； 步驟(I)中所述的硅粉與無機燒結助劑的質量分數比例為4?100:1; 步驟(I)中所述的硅粉與分散劑的質量分數比例為40?60:1; 步驟(I)中所述的無機物為前述添加的硅粉、無機燒結助劑和分散劑； 步驟(I)中所述的硅粉與粘接劑的質量分數比例為9?20:1; 步驟(I)中所述的硅粉與增塑劑的質量分數比例為9?20:1。2.根據權利要求1所述的硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步驟(I)中所述的硅粉的粒徑為0.Ιμπι?ΙΟμπι，純度為99%?100%。3.根據權利要求1所述的硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步驟(I)中所述的無機燒結助劑為MgO、Zr02和稀土氧化物的一種或多種。4.根據權利要求1所述的硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步驟(I)中所述的分散劑為蓖麻油。5.根據權利要求1所述的硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步驟(I)中所述的粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛。6.根據權利要求1所述的硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步驟(I)中所述的增塑劑三甘醇二異辛酸酯、三甘醇二正庚酸酯、二丙二醇二苯甲酸酯、癸二酸二辛酯中的一種或幾種。7.根據權利要求1所述的硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步驟(I)中所述的第一次球磨的時間為20小時。8.根據權利要求1所述的硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步驟(I)中所述的第二次球磨的時間為24小時。9.根據權利要求1所述的硅粉流延制備氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步驟(3)中所述的升溫的升溫速率為5°C/min?30°C/min，所述的降溫的降溫速率為rC/min?200C/min0
【文檔編號】C04B35/622GK105884376SQ201610206078
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】黃榮廈, 葉順達, 吳有亮, 林華泰
【申請人】廣東工業大學