一种高导热氮化硅陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能陶瓷领域，具体涉及一种高导热氮化硅陶瓷的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着集成电路和功率器件的不断发展，散热问题对于产品性能提升的制约越来越严重，人们对于电子封装基片和散热材料的综合性能提出了更高的要求。氮化硅陶瓷具有潜在的高热导率(其理论热导率可达200?320W.m 1.K 3、良好的绝缘性、耐腐蚀性、耐热冲击性和优秀的力学性能，在电子封装材料和散热材料领域具有良好的应用前景。
[0003]由于氮化硅属于强共价键化合物，难以烧结致密，因此，为了提高氮化硅陶瓷的致密度以实现高的热导率，在烧结氮化硅陶瓷时通常需要加入乙03，MgO，A1203等氧化物烧结助剂，在1800°C以上进行气压烧结或热压烧结。这些烧结助剂的引入对于氮化硅陶瓷的热导率具有不利的影响:氧原子可以溶入氮化硅晶格内，造成晶体缺陷，对于传导热量的声子起到散射作用；同时，残留在氮化硅晶界间的氧化物具有较低的热导率，对于热量在氮化硅晶粒间的传播造成了阻隔。
[0004]文献“G.J.Jiang, J.Y.Xu, G.H.Peng, Η.R.Zhuang, ff.L.Li, S.Y.Xu, etal.Sintering of silicon nitride ceramics with magnesium silicon nitrideand yttrium oxide as sintering aids.3rd Internat1nal Congress onCeramics (Icc3): Advanced Engineering Ceramics and Composites，2011，18，，公开了一种高导热氮化硅的制备方法，该方法以高纯硅粉作为原料，采用Y203-MgO作为烧结助剂，以反应重烧结法制备了高导热氮化硅陶瓷。该方法需要在1900°C的高温下长时间烧结，且烧结助剂的添加对于提高氮化硅陶瓷的热导率具有不利影响。
【发明内容】
[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高导热氮化硅陶瓷的制备方法，克服现有制备方法烧结温度高、引入晶格氧原子和晶界相的问题。
[0007]技术方案
[0008]—种高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于步骤如下:
[0009]步骤1、Si3N4粉体的预处理:将Si 3N4粉于1700?1900°C，氮气气氛中热处理，然后用HF酸进行酸洗；
[0010]步骤2、制备Si3N4粉预制体:将处理后的Si 3N4粉与溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和消泡剂混合球磨，得到Si3N4浆料；对浆料进行流延成型厚度为0.1?0.5mm的Si 3N4流延薄层；对薄层进行剪裁和叠层，得到坯体相对密度为30?60%的Si3N4粉预制体；所述浆料中Si3N4粉的质量分数为30?60% ;所述溶剂为无水乙醇和丁酮按体积比1:1混合；所述溶剂的质量分数为30?50% ;所述分散剂的质量分数为2?4% ;所述粘结剂的质量分数为2?4% ;所述消泡剂的质量分数为2?4% ;
[0011]步骤3、液硅渗透:将Si3N4粉预制体包埋在高纯硅粉中，置于真空炉内，在1450?1650°C的温度下进行液硅渗透，得到致密的Si3N4/Si ;
[0012]步骤4、氮化烧结:将Si3N4/Si置于氮化炉中，在1200?1600°C的温度下，氮气气氛中进行氮化烧结，得到致密的氮化硅陶瓷。
[0013]所述球磨是置于滚筒式球磨机中球磨12?24h。
[0014]所述分散剂为磷酸三乙酯。
[0015]所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。
[0016]所述增塑剂为丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯按体积比1:1混合。
[0017]所述消泡剂为正丁醇和乙二醇按体积比1:1混合。
[0018]所述的Si3N4粉粒径为0.3?10 μ m。
[0019]所述的高纯Si粉纯度不低于99.9%。
[0020]所述的Si3N4粉预制体厚度为0.5?5mm。
[0021]有益效果
[0022]本发明提出的一种高导热氮化硅陶瓷的制备方法，首先对Si3N4粉进行热处理和酸洗处理，然后配制Si3N4楽料，用流延工艺制备Si 3N4薄层，对薄层切割叠层后得到多多孔的氮化硅粉预制体。然后采用高纯硅粉对预制体进行液硅渗透，得到致密的Si3N4/Si。在氮化炉中对Si3N4/Si进行氮化处理，使材料中的Si发生氮化反应生成Si3N4。与制备高导热氮化硅陶瓷常用的工艺如等静压烧结、热压烧结等相比，本发明采用流延法结合液硅渗透成型，氮化烧结工艺，不需或仅需少量机械加工，制备温度低，且不需要添加烧结助剂，避免了晶界相对于材料热导率的影响。所制备的氮化硅陶瓷热导率可达80?120Wm 'K ^
[0023]本发明的有益效果是:采用流延法结合液硅渗透法成型，适合于电子基片和散热片的生产，有利于实现近净成型，减少后续加工。与传统烧结工艺相比，本发明可以不添加烧结助剂而实现氮化硅陶瓷的致密化，消除了杂质氧原子和晶界相的影响；氮化烧结成型温度低，设备相对简单。
【附图说明】
[0024]图1是本发明高导热氮化硅陶瓷的制备方法流程图。
[0025]图2是本发明高导热氮化硅陶瓷的断口扫描电子显微镜形貌图。
[0026]图3是本发明高导热氮化硅陶瓷的XRD物相分析图。
【具体实施方式】
[0027]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0028]实例1:选择粒径为1.2 μ m的β _Si3N4粉，在1800°C，0.3MPa N 2气氛下热处理2个小时，然后用质量分数为5 %的HF酸对热处理后的Si3N4粉进行酸洗6个小时，烘干备用。称取50g处理后的Si3N4粉，加入50g溶剂，溶剂为无水乙醇和丁酮按体积比1:1混合，4g分散剂磷酸三乙酯，放入尼龙球磨罐中，再加入氮化硅磨球，在滚筒式球磨机上球磨12小时；然后向球磨罐中加入5g粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，5g增塑剂，增塑剂为丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯按体积比1:1混合和4g消泡剂，消泡剂为正丁醇和乙二醇按体积比1:1混合；继续球磨12个小时，得到分散均匀、适于流延的Si3N4浆料。对浆料进行流延，得到厚度为0.4mm，Si3N4体积分数为40%的薄层。将薄层剪裁成40mmX40mm的尺寸，每4层叠层热压至厚度为1_，得到Si3N4体积分数为60%的多孔预制体。将预制体置于石墨坩祸中，在预制体上下表面铺上高纯娃粉，在绝对压力位lOOOPa的高温真空炉中进行液娃渗透，渗娃温度为1500°C，保温2h。将液硅渗透后得到的Si3N4/Si进行简单的打磨即可除去表面的残余硅，随后在氮化炉中氮化烧结，氮化温度为1200°C?1500°C，得到致密的高导热氮化硅陶瓷。材料的弯曲强度为300MPa，热导率为80W.m 1.K、
[0029]实例2:选择直径约为1 μ m、长径比约为5的β _Si3N4柱状晶，在1800°C，0.3MPaN2气氛下热处理2个小时，然后用质量分数为5 %的HF酸对热处理后的Si3N4粉进行酸洗6个小时，烘干备用。称取50g处理后的Si3N4粉，加入50g溶剂，溶剂为无水乙醇和丁酮按体积比1:1混合，4g分散剂磷酸三乙酯，放入尼龙球磨罐中，加入氮化硅磨球，在滚筒式球磨机上球磨12小时。然后向球磨罐中加入5g粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，5g增塑剂，增塑剂为丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯按体积比1:1混合和4g消泡剂，消泡剂为正丁醇和乙二醇按体积比1:1混合，继续球磨12个小时，得到分散均勾、适于流延的Si3N4楽料。对楽料进行流延，得到厚度为0.3mm, Si3N4体积分数为45%的薄层。将薄层剪裁成40mmX40mm的尺寸，每5层叠层热压至厚度为1_，得到Si3N4体积分数为65%的多孔预制体。将预制体置于石墨坩祸中，在预制体上下表面铺上高纯硅粉，在绝对压力位lOOOPa的高温真空炉中进行液硅渗透，渗硅温度为1500°C，保温2h。将液硅渗透后得到的Si3N4/Si进行简单的打磨即可除去表面的残余硅，随后在氮化炉中氮化烧结，氮化温度为1200°C?1500°C，得到致密的高导热氮化硅陶瓷。材料的弯曲强度为400MPa，热导率为90W.m 1.K ^进一步对氮化硅陶瓷进行退火工艺:将氮化硅陶瓷置于1800°C，0.5MPa N2气氛中保温4h，可以是氮化硅陶瓷的热导率上升至105W.m 1.K
【主权项】
1.一种高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于步骤如下: 步骤1、Si3N4粉体的预处理:将Si 3N4粉于1700?1900°C，氮气气氛中热处理，然后用HF酸进行酸洗； 步骤2、制备Si3N4粉预制体:将处理后的Si 3N4粉与溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和消泡剂混合球磨，得到Si3N4楽料；对楽料进行流延成型厚度为0.1?0.5mm的Si 3N4流延薄层；对薄层进行剪裁和叠层，得到坯体相对密度为30?60%的Si3N4粉预制体；所述浆料中Si3N4粉的质量分数为30?60% ;所述溶剂为无水乙醇和丁酮按体积比1:1混合；所述溶剂的质量分数为30?50% ;所述分散剂的质量分数为2?4% ;所述粘结剂的质量分数为2?4% ;所述消泡剂的质量分数为2?4% ; 步骤3、液硅渗透:将Si3N4粉预制体包埋在高纯硅粉中，置于真空炉内，在1450?1650°C的温度下进行液硅渗透，得到致密的Si3N4/Si ; 步骤4、氮化烧结:将Si3N4/Si置于氮化炉中，在1200?1600°C的温度下，氮气气氛中进行氮化烧结，得到致密的氮化硅陶瓷。2.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于:所述球磨是置于滚筒式球磨机中球磨12?24h。3.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于:所述分散剂为磷酸三乙酯。4.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于:所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。5.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于:所述增塑剂为丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯按体积比1:1混合。6.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于:所述消泡剂为正丁醇和乙二醇按体积比1:1混合。7.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于:所述的Si3N4粉粒径为0.3?10 μ m。8.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于:所述的高纯Si粉纯度不低于99.9%。9.根据权利要求1所述高导热氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于:所述的Si3N4粉预制体厚度为0.5?5mm。
【专利摘要】本发明涉及一种高导热氮化硅陶瓷的制备方法，首先对Si3N4粉进行热处理和酸洗处理，然后配制Si3N4浆料，用流延工艺制备Si3N4薄层，对薄层切割叠层后得到多孔的氮化硅粉预制体。然后采用高纯硅粉对预制体进行液硅渗透，得到致密的Si3N4/Si。在氮化炉中对Si3N4/Si进行氮化处理，使材料中的Si发生氮化反应生成Si3N4。与制备高导热氮化硅陶瓷常用的工艺如等静压烧结、热压烧结等相比，本发明采用流延法结合液硅渗透成型，氮化烧结工艺，不需或仅需少量机械加工，制备温度低，且不需要添加烧结助剂，避免了晶界相对于材料热导率的影响。所制备的氮化硅陶瓷热导率可达80～120Wm-1K-1。
【IPC分类】C04B35/584, C04B35/65
【公开号】CN105254306
【申请号】CN201510640611
【发明人】成来飞, 李明星, 张立同
【申请人】西北工业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年9月30日