一种硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，属于绝缘基板技术领域。本发明以硅粉和无机助烧添加剂为原料，以蓖麻油为分散剂，以聚乙烯醇缩丁醛为粘接剂，根据硅粉表面的化学状态和颗粒尺寸，加入有利于硅粉流延成型的增塑剂，制备出厚度可调、表面光滑、无裂纹以及无气孔的大面积生坯，将生坯经排胶后，通过高温烧结制备出热导率大于50W·m?1·K?1，抗弯强度大于600MPa，断裂韧性大于8MPa·m1/2的氮化硅陶瓷基板。
【专利说明】
一种硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法
技术领域
[0001]本发明属于绝缘基板技术领域，特别涉及一种硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，高电压、大功率半导体模块和超大功率LED照明在各个工业领域获得越来越多的应用，而用于搭载功率半导体模块的绝缘基板广泛使用陶瓷材料。目前，在功率模块领域广泛使用的绝缘基板材料主要是氧化铝和氮化铝基板。其中，氧化铝基板的优势在于成本低，但力学性能和热导率偏低，常用于功率较低的模块。氮化铝基板具有高的热导率，常用于功率较大的模块。
[0003]然而，随着半导体模块的功率越来越大，工作电流也随之增加，使得具有不同热膨胀系数的陶瓷基板和金属电路板之间的热应力增加，导致陶瓷基板与金属结合处容易产生裂缝，甚至出现陶瓷基板的断裂。此外，当半导体功率模块使用在车辆等移动设施上，具体的使用工况存在复杂而又频繁的振动，容易导致陶瓷基板出现断裂。因此需要力学性能优良的陶瓷基板才能够保证大功率半导体模块的正常工作和使用寿命，从而提高其可靠性，在这点上，氮化招和氧化招都难以满足要求。
[0004]氮化硅陶瓷具有高的力学性能，其抗弯强度和断裂韧性是氮化铝和氧化铝的2?3倍，并且具有较高的热导率以及极好的热辐射性和耐热循环性，采用氮化硅陶瓷作为基板，能够确保电路板具有较大的挠度、抗折断强度和热传导性，从而保证大功率模块在使用过程中的可靠性。此外，由于氮化硅陶瓷基板具有极好的抗弯强度，与氮化铝或者氧化铝陶瓷基板相比而言，可以采用厚度较薄的氮化硅基板，进而使得热阻得到降低。
[0005]制备氮化硅陶瓷基板的方式主要有两种，一是先采用氮化硅粉体烧结出氮化硅陶瓷块体，再进行切割获得所需厚度的陶瓷基板，这种方法制备的氮化硅陶瓷基板成本高昂，如专利CN 1192989C所制备的氮化硅陶瓷基板。另外一种是采用氮化硅粉通过流延成型的方法制备氮化硅陶瓷基板，该方法无需经过机械切割，可以直接生产出所需厚度的氮化硅陶瓷基板，相对于烧结后再切割的方式而言，成本大幅度降低，如专利CN 103781742 A和专利CN 100398491C和CN 103922746 A所制备的氮化硅陶瓷基板。以上的氮化硅基板制备方式有一个共同的特征，即原料选用的是氮化硅粉，而原料采用氮化硅粉体一方面成本较高，另一方面由于存在氮化硅粉体的制备过程，容易引入一些不易确定的影响导致产品的一致性和良品率降低。对于氮化硅基板而言，降低其生产成本，提高生产过程的可控性是非常关键的问题，如果可以采用硅粉流延成型，直接制备氮化硅基板将有利于产品一致性的提高，同时较大幅度的降低生产成本。
【发明内容】
[0006]为克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法。本发明以硅粉为主要原料，采用流延法制备氮化硅基板。本发明以硅粉和无机助烧添加剂为原料，以蓖麻油为分散剂，以聚乙烯醇缩丁醛为粘接剂，根据硅粉表面的化学状态和颗粒尺寸，加入有利于硅粉流延成型的增塑剂，制备出厚度可调、表面光滑、无裂纹以及无气孔的大面积硅粉生坯，将生坯经排胶后，通过高温烧结制备出高力学性能、高热导率的氮化硅陶瓷基板。
[0007]本发明的目的通过下述技术方案实现:一种硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，包括以下步骤:
[0008](I)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉、无机烧结助剂和分散剂，添加重量为无机物1.2-1.5倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质进行第一次球磨;②往第一次球磨后的浆料中加入粘接剂和增塑剂，进行第二次球磨;③将第二次球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度合适的浆料；
[0009](2)生坯的制备:将脱泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，经过干燥后获得厚度为0.1mm?2.2mm的无气孔无裂纹表面光滑素坯，然后按照所需的要求进行裁切，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯；
[0010](3)烧结:将脱脂后的生坯放入石墨坩祸中，升温到1350°(:?1420°(:保温0.5-4小时，然后升温到1780 0C?1950 0C，保温2_5小时后，烧结期间的烧结气氛为l_50atm的氮气，然后降温到1600°C?1200°C，之后进行随炉冷却，获得机械性能优越的高热导率氮化硅陶瓷基板。
[0011 ]步骤(I)中所述的硅粉与无机烧结助剂的质量分数比例为4?100:1;
[0012]步骤(I)中所述的硅粉与分散剂的质量分数比例为40?60:1;
[0013]步骤(I)中所述的无机物为前述添加的硅粉、无机烧结助剂和分散剂；
[0014]步骤(I)中所述的硅粉与粘接剂的质量分数比例为9?20:1;
[0015]步骤(I)中所述的硅粉与增塑剂的质量分数比例为9?20:1。
[0016]步骤(I)中所述的娃粉的粒径为0.Ιμπι?ΙΟμπι，纯度为99%?100%。
[00?7 ]步骤(I)中所述的无机烧结助剂为MgO、Zr02和稀土氧化物的一种或多种。
[0018]步骤(I)中所述的分散剂为蓖麻油。
[0019]步骤(I)中所述的粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛。
[0020]步骤(I)中所述的增塑剂三甘醇二异辛酸酯、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种或几种。
[0021 ]步骤(I)中所述的第一次球磨的时间优选为20小时。
[0022 ]步骤(I)中所述的第二次球磨的时间优选为24小时。
[0023]步骤(3)中所述的升温的升温速率为5°C/min?30°C/min，所述的降温的降温速率为 I °C/min ?2CTC/min0
[0024]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0025]本发明用硅粉为主要原料采用流延成型，通过烧结制备出了高热导率、力学性能优越的氮化硅陶瓷基板，大幅度降低大面积氮化硅陶瓷基板的生产成本。
【附图说明】
[0026]图1是本发明实施例1获得的脱脂后的生坯的扫描电子显微镜照片图；
[0027]图2是本发明实施例2获得的氮化硅陶瓷基板的断面的扫描电子显微镜照片图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0029]实施例1
[0030](I)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉((150 = 4μπι)、无机烧结助剂和分散剂；其中，无机烧结助剂为MgO，Lu2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，无机烧结助剂粉体与硅粉的比例为1:9;分散剂为蓖麻油，分散剂与硅粉的比例为1:50;添加重量为无机物(硅粉、无机烧结助剂和分散剂)1.2倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质，混合球磨20小时;②往球磨后的浆料中加入粘接剂和环保型增塑剂;其中，塑剂为三甘醇二异辛酸酯，增塑剂与硅粉的比例1:8;粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘接剂与硅粉的比例为1:8;再次混合球磨24小时;③将球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度大约为20000mPa.s的浆料；
[0031](2)生坯的制备:将除去气泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，流延机刀口的高度为2mm，经过干燥后获得无气孔无裂纹的素坯，然后按照所需的要求进行裁切，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯;脱脂后的生坯扫描电子显微镜图片如图1所示。
[0032]实施实例2
[0033](I)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉((150 = 4μπι)、无机烧结助剂和分散剂；其中，无机烧结助剂为MgO，Lu2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，无机烧结助剂粉体与硅粉的比例为1:9;分散剂为蓖麻油，分散剂与硅粉的比例为1:50;添加重量为无机物(硅粉、无机烧结助剂和分散剂)1.2倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质，混合球磨20小时;②往球磨后的浆料中加入粘接剂和环保型增塑剂;其中，塑剂为三甘醇二异辛酸酯，增塑剂与硅粉的比例1:8;粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘接剂与硅粉的比例为1:8;再次混合球磨24小时;③将球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度合适的浆料。
[0034](2)生坯的制备:将除去气泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，流延机刀口的高度为2mm，经过干燥后获得无气孔无裂纹的素坯，裁切成10cm*10cm的素坯，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯。
[0035](3)烧结:将脱脂后的生坯放入石墨坩祸中，以20°C/min的升温速率将温度升到1400°C保温2小时，然后以1 °C /min的升温速率将温度升到1820 °C，保温5小时后，以1 °C /min的降温速率将温度降到1200°C，之后进行随炉冷却，整个过程烧结气氛为Iatm的氮气，获得的氮化硅陶瓷基板热导率大于50W.m—1.K—S断裂韧性大于7MPa.mV2，抗弯强度大于600MPa，氮化硅陶瓷基板的断面扫描电子显微镜图片如图2所示。
[0036]实施实例3
[0037](I)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉((150 = 8μπι)、无机烧结助剂和分散剂。其中，无机烧结助剂为MgO，Gd2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，无机烧结助剂粉体与硅粉的比例为1:9;分散剂为蓖麻油，分散剂与硅粉的比例为1:50。添加重量为无机物(硅粉、无机烧结助剂和分散剂)1.5倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质，混合球磨20小时;②往球磨后的浆料中加入粘接剂和环保型增塑剂;其中，塑剂为三甘醇二正庚酸酯，增塑剂与硅粉的比例1:10;粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘接剂与硅粉的比例为1:10;再次混合球磨24小时;③将球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度合适的浆料；
[0038](2)生坯的制备:将除去气泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，流延机刀口的高度为2.5mm，经过干燥后获得无气孔无裂纹的素坯，然后按照所需的要求进行裁切，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯；
[0039](3)烧结:将脱脂后的生坯放入石墨坩祸中，以20°C/min的升温速率将温度升到1400°C保温2小时，然后以1 °C /min的升温速率将温度升到1850 °C，保温2小时后，以1°C /min的降温速率将温度降到1500°C，之后进行随炉冷却，烧结气氛为30atm的氮气，获得的Si3N4陶瓷基板热导率大于80W.m—1.K—S断裂韧性大于9MPa.m1气抗弯强度大于700MPa。
[0040]实施实例4
[0041 ] (I)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉(d50 = 0.2μπι)、无机烧结助剂和分散剂；其中，无机烧结助剂为MgO，Gd2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，无机烧结助剂粉体与硅粉的比例为1:9;分散剂为蓖麻油，分散剂与硅粉的比例为1:40;添加重量为无机物(硅粉、无机烧结助剂和分散剂)1.2倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质，混合球磨20小时;②往球磨后的浆料中加入粘接剂和环保型增塑剂;其中，增塑剂为二丙二醇二苯甲酸酯和癸二酸二辛酯混合液(两者的质量分数为1:1)，增塑剂与硅粉的比例1:6;粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘接剂与硅粉的比例为1:10;再次混合球磨24小时;③将球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度合适的浆料；
[0042](2)生坯的制备:将除去气泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，流延机刀口的高度为0.8mm，经过干燥后获得无气孔无裂纹的素坯，然后按照所需的要求进行裁切，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯；
[0043](3)烧结:将脱脂后的生坯放入石墨坩祸中，以20°C/min的升温速率将温度升到1400°C保温2小时，然后以1 °C /min的升温速率将温度升到1850 °C，保温2小时后，以1 °C /min的降温速率将温度降到1200°C，之后进行随炉冷却，整个过程烧结气氛为Iatm的氮气，获得的Si3N4陶瓷基板热导率大于60W.m—1.K—S断裂韧性大于7MPa.mV2，抗弯强度大于600MPao
[0044]实施实例5
[0045](I)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉((150 = 0.2μπι)、无机烧结助剂和分散剂；其中，无机烧结助剂为MgO，Lu2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，无机烧结助剂粉体与硅粉的比例为1:9;分散剂为蓖麻油，分散剂与硅粉的比例为1:40;添加重量为无机物(硅粉、无机烧结助剂和分散剂)1.5倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质，混合球磨20小时;②往球磨后的浆料中加入粘接剂和环保型增塑剂;其中，增塑剂为三甘醇二正庚酸酯和癸二酸二辛酯混合液(两者的质量分数为2:1)，增塑剂与硅粉的比例1:10;粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘接剂与硅粉的比例为1:6;再次混合球磨24小时;③将球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度合适的浆料；
[0046](2)生坯的制备:将除去气泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，流延机刀口的高度为2.8mm，经过干燥后获得无气孔无裂纹表面光滑的素坯，然后按照所需的要求进行裁切，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯；
[0047](3)烧结:将脱脂后的生坯放入石墨坩祸中，以20°C/min的升温速率将温度升到1400°C保温2小时，然后以1 °C /min的升温速率将温度升到1900 °C，保温2小时后，以5 °C /min的降温速率将温度降到1200°C，之后进行随炉冷却，烧结气氛为9atm的氮气，获得的Si3N4陶瓷基板热导率大于70W.m—1.K—S断裂韧性大于9MPa.m1气抗弯强度大于700MPa。
[0048]实施实例6
[0049](I)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉(d50 = ΙΟμπι)、无机烧结助剂和分散剂;其中，无机烧结助剂为MgO，Gd2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，无机烧结助剂粉体与硅粉的比例为1:9;分散剂为蓖麻油，分散剂与硅粉的比例为1:50;添加重量为无机物(硅粉、无机烧结助剂和分散剂)1.5倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质，混合球磨20小时;②往球磨后的浆料中加入粘接剂和环保型增塑剂;其中，增塑剂为三甘醇二正庚酸酯和癸二酸二辛酯混合液(两者的质量分数为2:1)，增塑剂与硅粉的比例1:10;粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘接剂与硅粉的比例为1:10;再次混合球磨24小时;③将球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度合适的浆料；
[0050](2)生坯的制备:将除去气泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，流延机刀口的高度为2.8mm，经过干燥后获得无气孔无裂纹表面光滑的素坯，然后按照所需的要求进行裁切，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯；
[0051](3)烧结:将脱脂后的生坯放入石墨坩祸中，以20°C/min的升温速率将温度升到1400°C保温2小时，然后以1 °C /min的升温速率将温度升到1850 °C，保温2小时后，以5 °C /min的降温速率将温度降到1200°C，之后进行随炉冷却，烧结气氛为9atm的氮气，获得的Si3N4陶瓷基板热导率大于70W.m—1.K—S断裂韧性大于8MPa.m1气抗弯强度大于700MPa。
[0052]实施实例7
[0053](I)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉((150 = 0.5μπι)、无机烧结助剂和分散剂；其中，无机烧结助剂为MgO，Lu2O3和ZrO2的混合物(MgO: Lu2O3: ZrO2 = 2:8:3)，无机烧结助剂粉体与硅粉的比例为1:9;分散剂为蓖麻油，分散剂与硅粉的比例为1:50;添加重量为无机物(硅粉、无机烧结助剂和分散剂)1.5倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质，混合球磨20小时;②往球磨后的浆料中加入粘接剂和环保型增塑剂;其中，增塑剂为三甘醇二正庚酸酯和癸二酸二辛酯混合液(两者的质量分数为2:1)，增塑剂与硅粉的比例1:10;粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘接剂与硅粉的比例为1:6;再次混合球磨24小时;③将球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度合适的浆料；
[0054](2)生坯的制备:将除去气泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，流延机刀口的高度为0.8mm，经过干燥后获得无气孔无裂纹表面光滑的素坯，然后按照所需的要求进行裁切，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯；
[0055](3)烧结:将脱脂后的生坯放入石墨坩祸中，以20°C/min的升温速率将温度升到1400°C保温2小时，然后以1 °C /min的升温速率将温度升到1850 °C，保温2小时后，以5 °C /min的降温速率将温度降到1200°C，之后进行随炉冷却，烧结气氛为9atm的氮气，获得的Si3N4陶瓷基板热导率大于70W.m—1.K—S断裂韧性大于8MPa.m1气抗弯强度大于700MPa。
[0056]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)流延浆料的制备:①按配比称量硅粉、无机烧结助剂和分散剂，添加重量为无机物1.2-1.5倍的无水乙醇-丁酮共沸物，以氮化硅球为球磨介质进行第一次球磨;②往第一次球磨后的浆料中加入粘接剂和增塑剂，进行第二次球磨;③将第二次球磨后得到的浆料在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到粘度合适的浆料； (2)生坯的制备:将脱泡的浆料采用流延方法进行素坯成型，经过干燥后获得厚度为0.1mm?2.2mm的无气孔无裂纹表面光滑素坯，然后按照所需的要求进行裁切，在真空脱脂炉中进行真空排胶，获得脱脂后的生坯； (3)烧结:将脱脂后的生坯放入石墨坩祸中，升温到1350°C?1420°C保温0.5-4小时，然后升温到1780°C?19500C，保温2_5小时后，烧结期间的烧结气氛为l_50atm的氮气，然后降温到1600°C?1200°C，之后进行随炉冷却，获得机械性能优越的高热导率氮化硅陶瓷基板； 步骤(I)中所述的硅粉与无机烧结助剂的质量分数比例为4?100:1; 步骤(I)中所述的硅粉与分散剂的质量分数比例为40?60:1; 步骤(I)中所述的无机物为前述添加的硅粉、无机烧结助剂和分散剂； 步骤(I)中所述的硅粉与粘接剂的质量分数比例为9?20:1; 步骤(I)中所述的硅粉与增塑剂的质量分数比例为9?20:1。2.根据权利要求1所述的硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步骤(I)中所述的硅粉的粒径为0.Ιμπι?ΙΟμπι，纯度为99%?100%。3.根据权利要求1所述的硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步骤(I)中所述的无机烧结助剂为MgO、Zr02和稀土氧化物的一种或多种。4.根据权利要求1所述的硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步骤(I)中所述的分散剂为蓖麻油。5.根据权利要求1所述的硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步骤(I)中所述的粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛。6.根据权利要求1所述的硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步骤(I)中所述的增塑剂三甘醇二异辛酸酯、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种或几种。7.根据权利要求1所述的硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步骤(I)中所述的第一次球磨的时间为20小时。8.根据权利要求1所述的硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步骤(I)中所述的第二次球磨的时间为24小时。9.根据权利要求1所述的硅粉流延制备氮化硅陶瓷基板的方法，其特征在于:步骤(3)中所述的升温的升温速率为5°C/min?30°C/min，所述的降温的降温速率为rC/min?200C/min0
【文档编号】C04B35/622GK105884376SQ201610206078
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】黄荣厦, 叶顺达, 吴有亮, 林华泰
【申请人】广东工业大学