本發(fā)明屬于陶瓷基板材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氮化硅陶瓷基板的制備方法。

技術(shù)背景

半導(dǎo)體功率模塊是電力電子領(lǐng)域中最重要的功率器件之一，應(yīng)用于電動(dòng)汽車、軌道交通等領(lǐng)域。其中，用于封裝功率模塊的覆銅基板是不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，而覆銅基板中的絕緣層通常是陶瓷材料。目前，廣泛使用的絕緣基板材料主要是氧化鋁和氮化鋁，但氧化鋁及氮化鋁陶瓷基板的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都相對(duì)較低，導(dǎo)致焊接無(wú)氧銅后在熱循環(huán)過(guò)程中易于開(kāi)裂，影響整個(gè)功率模塊的可靠性，同時(shí)當(dāng)半導(dǎo)體功率模塊使用在車輛等存在頻繁震動(dòng)的移動(dòng)設(shè)施上，力學(xué)性能不足的陶瓷基板容易出現(xiàn)斷裂，降低了半導(dǎo)體功率模塊在使用過(guò)程中的可靠性。氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性是氮化鋁和氧化鋁的2倍以上，并且具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和高抗熱震性等優(yōu)點(diǎn)，更加適合于大功率半導(dǎo)體功率模塊的應(yīng)用實(shí)況，特別是應(yīng)用在有振動(dòng)場(chǎng)合的功率模塊制備。

制備氮化硅陶瓷基板的方法包括，先采用氮化硅粉體燒結(jié)出氮化硅陶瓷塊體，切割即得陶瓷基板，如專利CN 1192989C和CN 1139117C所述。另外可采用氮化硅粉通過(guò)流延成型的方法制備氮化硅陶瓷基板，無(wú)需經(jīng)過(guò)機(jī)械切割，如專利CN 103781742 A、專利CN 100398491C、專利CN 102105418A和CN 103922746 A所述。以上現(xiàn)有技術(shù)都采用氣壓或者熱壓燒結(jié)，同時(shí)原料為氮化硅粉，使得氮化硅基板的成本高昂。為了降低生產(chǎn)成本，在保證力學(xué)性能和熱導(dǎo)率的前提下，可以采用價(jià)格低廉的高純硅粉作為主要原料，采用流動(dòng)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)的方式制備氮化硅陶瓷，但是，在制備薄片狀陶瓷基板過(guò)程中，采用硅粉流延成型及高溫氮化的方式制備氮化硅基板，易出現(xiàn)由于放熱反應(yīng)導(dǎo)致局部溫度過(guò)高而產(chǎn)生熔硅的現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品的良品率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種氮化硅陶瓷基板的制備方法，本發(fā)明以氮化硅粉和價(jià)格低廉的硅粉為主要原料，通過(guò)添加分散劑、增塑劑和粘接劑，并采用流延工藝制備得到成本低、綜合性能優(yōu)異的氮化硅陶瓷基板。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種氮化硅陶瓷基板的制備方法，包括以下步驟：

將硅粉、氮化硅粉、燒結(jié)助劑、分散劑混合，加入溶劑，進(jìn)行第一次球磨，再加入粘接劑和增塑劑，進(jìn)行第二次球磨，經(jīng)真空脫泡后，得到漿料，所述硅粉與氮化硅粉的質(zhì)量比為(1：10)～(10:1)；

將漿料經(jīng)流延成型，干燥，得到素坯，經(jīng)真空排膠后得到生坯；將生坯燒結(jié)，得到氮化硅陶瓷基板。

優(yōu)選的，所述硅粉與氮化硅粉的質(zhì)量比為(1：10)～(4:1)。

優(yōu)選的，所述硅粉的中值粒徑為3-25μm，氮化硅粉的中值粒徑為0.2μm～3μm。更優(yōu)選的，所述硅粉的中值粒徑大于氮化硅粉的中值粒徑。

優(yōu)選的，所述的燒結(jié)助劑為ZrO₂、M_xO_y與Re₂O₃的混合物，M_xO_y為金屬氧化物，M是Mg或Al，Re₂O₃為稀土氧化物，Re是Gd、Lu、Y、Yb、Eu，所述ZrO₂、M_xO_y與Re₂O₃的質(zhì)量比為(2-3)：1：(3-5)。更優(yōu)選的，硅粉與氮化硅粉的質(zhì)量之和與燒結(jié)助劑的質(zhì)量之比為(4～10):1。

優(yōu)選的，所述分散劑為蓖麻油。

更優(yōu)選的，所述硅粉與氮化硅粉的質(zhì)量之和與分散劑的質(zhì)量的比值為(40～80)：1。

所述溶劑用于溶解加入的分散劑、粘接劑和增塑劑，具體物質(zhì)沒(méi)有特殊限制，優(yōu)選的，所述溶劑為無(wú)水乙醇與丁酮混合得到的混合溶劑，其質(zhì)量為硅粉、氮化硅粉、燒結(jié)助劑的質(zhì)量之和的1～2倍。

優(yōu)選的，所述粘接劑為聚乙烯醇縮丁醛。

更優(yōu)選的，所述粘接劑的質(zhì)量與硅粉、氮化硅粉的質(zhì)量之和的比值為(5～25):100。

優(yōu)選的，所述的增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、癸二酸二丁酯中至少兩種的混合物。更優(yōu)選的，所述增塑劑為質(zhì)量比為1:1的癸二酸二辛酯和鄰苯二甲酸二異丁酯的混合物，增塑劑的質(zhì)量與硅粉、氮化硅粉的質(zhì)量之和的比值為(5～25):100。

優(yōu)選的，所述漿料的25℃動(dòng)力粘度為3000mPa·S～50000mPa·S。

優(yōu)選的，所述素坯的厚度為0.1mm～2.2mm。

優(yōu)選的，所述第一次球磨是以50-100轉(zhuǎn)/分鐘的球磨速率球磨12-48h，第二次球磨是以50-100轉(zhuǎn)/分鐘的球磨速率球磨12-48h。

優(yōu)選的，所述干燥的溫度為25℃～70℃，時(shí)間為0.5h-4h。

優(yōu)選的，所述真空排膠的操作為：在真空度為0.04Pa～0.1Pa的條件下，以升溫速25℃/h～80℃/h由室溫升溫至600℃～650℃，恒溫處理為0.5h-2h即可。

優(yōu)選的，所述燒結(jié)的具體操作為：在1atm的流動(dòng)氮?dú)鈿夥罩?，?℃/min～20℃/min的升溫速率升溫到1350℃～1420℃保溫0.5-4h，再以5℃/min～10℃/min的升溫速率升溫至1580℃～1620℃，然后以5℃/min～10℃/min的升溫速率升溫至1780℃～1850℃保溫2-5h，以1℃/min～20℃/min的降溫速率降溫到1600℃～1200℃，冷卻即可。

本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明以硅粉與氮化硅粉混合作為主要原料，結(jié)合硅粉反應(yīng)燒結(jié)與氮化硅粉燒結(jié)制備氮化硅陶瓷，有效緩和硅粉氮化反應(yīng)速度，有效利用了硅粉氮化過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，促進(jìn)硅粉的氮化和產(chǎn)品的致密化，又避免了因熔硅而引起的產(chǎn)品裂縫，提高了產(chǎn)品的性能和良品率。

(2)與以氮化硅粉為原料制備氮化硅陶瓷相比，本發(fā)明以硅粉與氮化硅粉混合作為主要原料，結(jié)合硅粉反應(yīng)燒結(jié)與氮化硅粉燒結(jié)制備氮化硅陶瓷，有效地提高了產(chǎn)品的性能，同時(shí)降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例3中生坯的表面掃描電鏡照片

圖2是實(shí)施例4中陶瓷基板的斷面掃描電鏡照片

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例1

氮化硅陶瓷基板的制備方法如下：

A：將15.75g硅粉(中值粒徑為10μm)、68.25g氮化硅粉(中值粒徑為0.2μm)、5.7g氧化鋯粉(ZrO₂)、2g氧化鎂粉(MgO)和8.3g氧化釓粉(Gd₂O₃)混合，加入1.68g蓖麻油，再加入120g無(wú)水乙醇-丁酮混合溶劑(無(wú)水乙醇與丁酮的質(zhì)量比為1:2)，以氮化硅球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)進(jìn)行第一次球磨，球磨速率為80轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為24h；然后加入4.2g粘接劑聚乙烯醇縮丁醛和6.72g增塑劑進(jìn)行第二次球磨，球磨速率為80轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為24h，其中，增塑劑為質(zhì)量比1:1的癸二酸二辛酯和鄰苯二甲酸二異丁酯，球磨完成后在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到25℃動(dòng)力粘度為3000mPa·S的漿料，25℃動(dòng)力粘度由旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試得到；

B：將漿料進(jìn)行流延成型，在25℃干燥4h，得到素坯，裁切后在真空脫脂爐中進(jìn)行真空排膠，排膠過(guò)程中的真空度為0.06Pa，排膠時(shí)以升溫速率為80℃/h升溫到600℃，在600℃保溫0.5h后，降到室溫得到生坯；

C：將生坯放入石墨坩堝內(nèi)，置于燒結(jié)氣氛為1atm的流動(dòng)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)爐中，以10℃/min的升溫速率將溫度升到1400℃保溫2h，然后以10℃/min的升溫速度升溫至1600℃，接著以5℃/min的升溫速率將溫度升到1800℃，保溫2h后，以1℃/min的降溫速率將溫度降到1600℃，之后進(jìn)行隨爐冷卻，得到氮化硅陶瓷基板。

經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例制備的氮化硅陶瓷基板的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為800MPa，單邊切口梁法測(cè)量斷裂韌性為8MPa·m^1/2，激光閃射法測(cè)量熱導(dǎo)率為60W·m^-1·K^-1。

實(shí)施例2

氮化硅陶瓷基板的制備方法如下：

A：將47.25g硅粉(中值粒徑為6.5μm)、36.75g氮化硅粉(中值粒徑為0.2μm)、5.7g ZrO₂粉、2g MgO粉和8.3g Gd₂O₃粉混合，加入1.68g蓖麻油，再加入150g無(wú)水乙醇-丁酮混合溶劑(無(wú)水乙醇與丁酮的質(zhì)量比為1:2)，以氮化硅球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)進(jìn)行第一次球磨，球磨速率為100轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為20h；然后加入14.28g粘接劑聚乙烯醇縮丁醛和10.5g增塑劑進(jìn)行第二次球磨，球磨速率為100轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為24h，其中，增塑劑為質(zhì)量比為1:1的癸二酸二辛酯和鄰苯二甲酸二異丁酯，球磨完成后在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到25℃動(dòng)力粘度為20000mPa·S的漿料，25℃動(dòng)力粘度由旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試得到；

B:將漿料進(jìn)行流延成型，經(jīng)過(guò)70℃、0.5h的干燥，得到素坯，裁切后在真空脫脂爐中進(jìn)行真空排膠，真空度為0.1Pa，以升溫速率為25℃/h升到650℃，在650℃保溫1h后，降到室溫，得到生坯；

C：將生坯放入石墨坩堝內(nèi)置于燒結(jié)氣氛為1atm的流動(dòng)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)爐中，以10℃/min的升溫速率將溫度升到1400℃保溫2h，然后以10℃/min的升溫速度升溫至1600℃，接著以5℃/min的升溫速率將溫度升到1800℃，保溫2h后，以10℃/min的降溫速率將溫度降到1600℃，之后進(jìn)行隨爐冷卻，得到氮化硅陶瓷基板。

經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例制備的氮化硅陶瓷基板的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為700MPa，單邊切口梁法測(cè)量斷裂韌性為7MPa·m^1/2，激光閃射法測(cè)量熱導(dǎo)率為52W·m^-1·K^-1。

實(shí)施例3

氮化硅陶瓷基板的制備方法如下：

A：將47.25g硅粉(中值粒徑為6.5μm)、36.75g氮化硅粉(中值粒徑為0.2μm)、5.7g ZrO₂粉、2g MgO粉和8.3g Gd₂O₃粉混合，加入1.68g蓖麻油，再加入150g無(wú)水乙醇-丁酮混合溶劑(無(wú)水乙醇與丁酮的質(zhì)量比為1:2)，以氮化硅球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)進(jìn)行第一次球磨，球磨速率為100轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為20h；然后加入14.28g粘接劑聚乙烯醇縮丁醛和10.5g增塑劑進(jìn)行第二次球磨，球磨速率為100轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為24h，其中，增塑劑為質(zhì)量比為1:1的癸二酸二辛酯和鄰苯二甲酸二異丁酯，球磨完成后在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到25℃動(dòng)力粘度為30000mPa·S的漿料，25℃動(dòng)力粘度由旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試得到；

B:將漿料進(jìn)行流延成型，經(jīng)過(guò)70℃、0.5h的干燥，得到2mm的素坯，裁切后在真空脫脂爐中進(jìn)行真空排膠，具體是在真空度為0.1Pa條件下，以升溫速率為25℃/h升到650℃，在650℃保溫處理1h，降到室溫，得到生坯，對(duì)所得生坯進(jìn)行表面掃描電子顯微鏡檢測(cè)，得到表面的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，可見(jiàn)生坯中分布有大粒徑的硅粉和小粒徑的氮化硅粉結(jié)合體；

C：將生坯放入石墨坩堝內(nèi)置于燒結(jié)氣氛為1atm的流動(dòng)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)爐中，以20℃/min的升溫速率將溫度升到1400℃保溫2h，然后以10℃/min的升溫速度升溫至1600℃，接著以10℃/min的升溫速率將溫度升到1800℃，保溫2h后，以10℃/min的降溫速率將溫度降到1600℃，之后進(jìn)行隨爐冷卻，得到氮化硅陶瓷基板。

經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例制備的氮化硅陶瓷基板的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為700MPa，單邊切口梁法測(cè)量斷裂韌性為7MPa·m^1/2，激光閃射法測(cè)量熱導(dǎo)率為55W·m^-1·K^-1。

實(shí)施例4

氮化硅陶瓷基板的制備方法如下：

A：將47.25g硅粉(中值粒徑為6.5μm)、36.75g氮化硅粉(中值粒徑為0.2μm)、5.7g ZrO₂粉、2g MgO粉和8.3g Gd₂O₃粉混合，加入1.68g蓖麻油，再加入150g無(wú)水乙醇-丁酮混合溶劑(無(wú)水乙醇與丁酮的質(zhì)量比為1:2)，以氮化硅球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)進(jìn)行第一次球磨，球磨速率為80轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為20h；然后加入16.8g粘接劑聚乙烯醇縮丁醛和4.2g增塑劑進(jìn)行第二次球磨，球磨速率為80轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為24h，其中，增塑劑為質(zhì)量比為1:1的癸二酸二辛酯和鄰苯二甲酸二異丁酯，球磨完成后在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到25℃動(dòng)力粘度為40000mPa·S的漿料，25℃動(dòng)力粘度由旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試得到；

B:將漿料進(jìn)行流延成型，經(jīng)過(guò)70℃、0.5h的干燥，得到素坯，裁切后在真空脫脂爐中進(jìn)行真空排膠，，具體是在真空度為0.1Pa條件下，以升溫速率為25℃/h升到650℃，在650℃保溫處理2h后，降到室溫，得到生坯；

C：將生坯放入石墨坩堝內(nèi)置于燒結(jié)氣氛為1atm的流動(dòng)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)爐中，以20℃/min的升溫速率將溫度升到1400℃保溫2h，然后以10℃/min的升溫速度升溫至1600℃，接著以5℃/min的升溫速率將溫度升到1835℃保溫2h，以10℃/min的降溫速率將溫度降到1400℃，之后進(jìn)行隨爐冷卻，得到氮化硅陶瓷基板。

對(duì)氮化硅陶瓷基板的斷面進(jìn)行電子掃描顯微鏡檢測(cè)，得到斷面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，可見(jiàn)所得基板具有高致密度。經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例制備的氮化硅陶瓷基板的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為700MPa，單邊切口梁法測(cè)量斷裂韌性為7MPa·m^1/2，激光閃射法測(cè)量熱導(dǎo)率為55W·m^-1·K^-1。

實(shí)施例5

氮化硅陶瓷基板的制備方法如下：

A：將51.7g硅粉(中值粒徑為10μm)、28.8g氮化硅粉(雙峰分布，0.2μm和2μm)、6.9g ZrO₂粉、2.6gMgO粉和10g氧化镥(Lu₂O₃)粉混合，加入1.34g蓖麻油，再加入150g無(wú)水乙醇-丁酮混合溶劑(無(wú)水乙醇與丁酮的質(zhì)量比為1:2)，以氮化硅球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)進(jìn)行第一次球磨，球磨速率為80轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為20h；然后加入6.44g粘接劑聚乙烯醇縮丁醛和6.44g增塑劑進(jìn)行第二次球磨，球磨速率為80轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為24h，其中，增塑劑為質(zhì)量比為1:1的癸二酸二辛酯和鄰苯二甲酸二異丁酯，球磨完成后在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到25℃動(dòng)力粘度為20000mPa·S的漿料，25℃動(dòng)力粘度由旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試得到；

B:將漿料進(jìn)行流延成型，經(jīng)過(guò)35℃,1.5h的干燥，得到素坯，裁切后在真空脫脂爐中進(jìn)行真空排膠，排膠是在真空度為0.1Pa條件下，以升溫速率為75℃/h升到650℃，在650℃保溫處理0.5h后，降到室溫，得到生坯；

C：將生坯放入石墨坩堝內(nèi)置于燒結(jié)氣氛為1atm的流動(dòng)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)爐中，以20℃/min的升溫速率將溫度升到1400℃保溫2h，然后以10℃/min的升溫速度升溫至1800℃，保溫2h后，以20℃/min的降溫速率將溫度降到1600℃，之后進(jìn)行隨爐冷卻，得到氮化硅陶瓷基板。

經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例制備的氮化硅陶瓷基板的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為650MPa，單邊切口梁法測(cè)量斷裂韌性為7MPa·m^1/2，激光閃射法測(cè)量熱導(dǎo)率為50W·m^-1·K^-1。

最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行若干推演或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。