CN109851370A - 高强度高导热氮化硅基板的生产方法 - Google Patents

高强度高导热氮化硅基板的生产方法 Download PDF

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高强度高导热氮化硅基板的生产方法，具体步骤：一、备料：A、氮化硅基板；B、准备覆盖料；二、压模：首先，在模具中添加覆盖料，其次加入基板料，最后加入覆盖料，压实后形成三明治胚料。三、烧结：把上述成型的三明治胚料放入震荡热压炉的石墨板夹层中，在震荡、加压、氮气保护下进行热夯实烧结；四、机加工：将覆盖料刮去，氮化硅基板胚子经加工磨光即可成为产品。本发明的优点是：1、覆盖料起到了增强薄片基板胚料强度的作用，使其转移操作时不开裂，在烧结的过程中，保护薄片。2、在压模过程中没有使用胶粘剂，节能，使基板密度更高。3、粉胚料是在震荡热压中被强迫的扩散与传质，强度高，提高了导热率。

Description

高强度高导热氮化硅基板的生产方法
技术领域
本发明属于电子元器件的新材料，即一种高强度高导热氮化硅基板的生产方法。
背景技术
随着人类的技术发展，电力驱动的机动设备越来越多，飞机、高铁、轮船、电动汽车等都在向电力驱动方向发展，其意义是环保、降低污染，节能、自动化水平高。由于电力驱动功率大，控制电动机的绝缘栅双极晶体管（IGBT），大功率器件，它的散热问题变得非常重要，过去常用的氧化铝陶瓷基板做导热基板，但其抗弯强度不高，在300MPa左右，导热率不高，一般在20W/mk左右，氮化铝陶瓷基板导热率大于120 W/mk，但抗弯强度不高，在300MPa左右，氧化铝陶瓷基板和氮化铝陶瓷基板都不能充分满足大功率元器件的要求，如何把陶瓷基板做到导热率大于90 W/mk，抗弯强度大于800MPa，断裂韧性大于7Mpa.m1/2，已成为陶瓷基板这一领域的重中之重。
氮化硅高导热陶瓷基板的各种技术参数能全面满足这一要求。但生产工艺复杂。目前生产高强度高导热氮化硅基板的尺寸主要是边长为100mm-200mm的正方形，板厚为0.3-0.7mm。其成型、烧结的方法主要有下述两种：
一、流延成型、气压烧结方法。把陶瓷粉末和各种胶粘剂混合在一起，制成稀膏状，流延成平面，真空高温脱胶，然后在氮气压力下烧结而成，由于氮化硅陶瓷是共价键结构，而高导热氮化硅又要求和氧化镁结合，烧结温度大于1900°C，氮气压力大于5 MPa。氮气与石墨在高温下有一定的反应，因此氮气氛烧结氮化硅对烧结设备要求比较高，同时流延成型含胶粘剂的量比较大，脱胶时，废气排放比较严重，除碳不彻底，基板空隙较多，质量不高。
二、热压烧结大块成型、使用多线锯切割成片的方法。使用热压设备，把氮化硅粉末压制成120mmX120mmX30mm的胚体，使用多线锯切割制成薄板后分别研磨，这种多线锯切割方法效率低，成本高，不能大批量生产。
上述两种方法生产的产品均不是质量最好的，特别是氮化硅基板强度不理想。
发明内容
为了克服上述两种方法的不足，本发明提出了一种高强度高导热氮化硅基板的生产方法。
这种高强度高导热氮化硅基板的生产方法，所述基板的的尺寸主要是边长为100mm-200mm的正方形或长方形，板厚为0.3-0.7mm，所述基板的成分，按重量比例如下：氮化硅78-82份，三氧化二镱0.5-1.5份，氧化鎂7-9份，氧化钇0.5-1.5份，其特征在于，具体步骤如下：
一、备料：
A、将上述原料粉末用砂磨机磨细，粒径D500.5微米，真空搅拌、真空烘干，造粒，用80目筛网过筛；
B、准备覆盖料，覆盖料的成分按重量比例为氮化硼6，碳化硼4，上述两种粉末混合均匀后得覆盖料，
二、压模：使用边长为100mm-200mm的长方形或正方形、高10-20mm的框形模具和程控压机，首先，在模具中添加覆盖料，刮平，按800kg/cm2的压力压平；其次加入基板料，刮平，按800kg/cm2的压力压平；最后加入覆盖料，刮平；按1200kg/cm2的压力压平，保压20秒钟后，被压实的三层胚料出模，这种上下有覆盖料，中间为基板料的胚料，俗称三明治胚料，在这种压实后的三明治胚料中，上下两层覆盖料厚度相等，每层覆盖料和基板料厚度之比为1.5-2:1，考虑到烧结时胚料的收缩，基板胚料的厚度为烧成厚度的1.5-1.7倍；
图1是三明治胚料结构剖面图：1、上覆盖料，2、基板料，3、下覆盖料，4、框形模具，5、上压头，6、下底座，P、压力。
三、烧结：把上述成型的三明治胚料放入震荡热压炉的石墨板夹层中，在震荡、加压、氮气保护下进行热夯实烧结，主压力150-200 kg/cm2，震荡压力20-50 kg/cm2，震荡频率，5-10次/分钟；主压力和震荡压力对三明治胚料都是垂直均匀布置。
图2是烧结时震荡热压图：7、石墨板，8、三明治胚料，9、左右压板，10、上压板，11、下压板，12、炉体，P、压力。
四、机加工：由于覆盖料在1800°C是不能被烧结的，胚料出炉后使用刮刀将覆盖料刮去，过筛、保留下次再用，氮化硅基板胚子经加工磨光即可成为用户使用的氮化硅基板了。
本发明的优点是：1、在上下覆盖料的夹持下的三明治成型法，薄型基板胚料可很好的保持形状而不碎；覆盖料起到了增强薄片基板胚料强度的作用，使其转移操作方便，不开裂，在烧结的过程中，保护薄片。2、在压模过程中没有使用胶粘剂，省去了一般工艺过程中的高温真空除碳的工作，节省了能源，避免了由于除碳不尽而造成的空隙，从而使基板密度更高。基板胚料没有被粘接剂中的碳气氛污染，避免了颜色不均匀，产品质量高。3、上述震荡热压炉由清华大学发明，专利号为201510473832X，发明名称是“一种快速致密化压力耦合动态烧结炉及烧结方法”。由于粉胚料是在震荡热压中被强迫的扩散与传质，所以此烧结温度比无震荡的气压烧结温度可降低100°C左右，更适合将ɑ相氮化硅转变为β相氮化硅，节约能源，而且产品密度高、强度高，提高了导热率。4、本发明的产品质量高，导热率大于90W/mk，抗弯强度为820MPa，热膨胀系数为2.5X10-6/k。
附图说明
图1是三明治胚料结构剖面图
图2是烧结时震荡热压图。
具体实施方式
下面通过两个实施例对本发明详细说明如下：
实施例一
这种高强度高导热氮化硅基板的生产方法，所述基板的的尺寸是边长为100mm的正方形，板厚为0.4mm，所述基板的成分，按重量比例如下：氮化硅79份，三氧化二镱0.9份，氧化鎂7.9份，氧化钇0.9份，其特征在于，具体步骤如下：
一、备料：
A、将上述原料粉末用砂磨机磨细，粒径D500.5微米，真空搅拌、真空烘干，造粒，用80目筛网过筛；
B、准备覆盖料，覆盖料的成分按重量比例为氮化硼6，碳化硼4，上述两种粉末混合均匀后得覆盖料，
二、压模：使用100X100X10mm的框形模具和程控压机，首先，在模具中添加覆盖料，刮平，按800kg/cm2的压力压平；其次加入基板料，刮平，按800kg/cm2的压力压平；最后加入覆盖料，刮平；按1200kg/cm2的压力压平，保压20秒钟后，被压实的三层胚料出模，这种上下有覆盖料，中间为基板料的胚料，俗称三明治胚料，在这种压实后的三明治胚料中，上下两层覆盖料厚度相等，每层覆盖料和基板料厚度之比为1.5:1，基板胚料的厚度为烧成厚度的1.5倍；
三、烧结：把上述成型的三明治胚料多层放入震荡热压炉的石墨板夹层中，在震荡、加压、氮气保护下进行热夯实烧结，主压力160 kg/cm2，热震荡压力30 kg/cm2，震荡频率，7次/分钟；
四、机加工：由于覆盖料在1800°C是不能被烧结的，胚料出炉后使用刮刀将覆盖料刮去，过筛、保留下次再用，氮化硅基板胚子经加工磨光即可成为用户使用的氮化硅基板了。
本实施例生产的产品质量指标如下，导热率为90W/mk，，抗弯强度800MPa，热膨胀系数为2.0X10-6/k。
实施例二
这种高强度高导热氮化硅基板的生产方法，所述基板的的尺寸是边长为150mm的正方形或长方形，板厚为0.6mm，所述基板的成分，按重量比例如下：氮化硅81份，三氧化二镱1份，氧化鎂8.2份，氧化钇1.2份，其特征在于，具体步骤如下：
一、备料：
A、将上述原料粉末用砂磨机磨细，粒径D500.5微米，真空搅拌、真空烘干，造粒，用80目筛网过筛；
B、准备覆盖料，覆盖料的成分按重量比例为氮化硼6，碳化硼4，上述两种粉末混合均匀后得覆盖料，
二、压模：使用150X150X10mm的框形模具和程控压机，首先，在模具中添加覆盖料，刮平，按800kg/cm2的压力压平；其次加入基板料，刮平，按800kg/cm2的压力压平；最后加入覆盖料，刮平；按1200kg/cm2的压力压平，保压20秒钟后，被压实的三层胚料出模，这种上下有覆盖料，中间为基板料的胚料，俗称三明治胚料，在这种压实后的三明治胚料中，上下两层覆盖料厚度相等，每层覆盖料和基板料厚度之比为2:1，基板胚料的厚度为烧成厚度的1.7倍；
三、烧结：把上述成型的三明治胚料多层放入震荡热压炉的石墨板夹层中，在震荡、加压、氮气保护下进行热夯实烧结，主压力190 kg/cm2，热震荡压力40 kg/cm2，震荡频率，9次/分钟；
四、机加工：由于覆盖料在1800°C是不能被烧结的，胚料出炉后使用刮刀将覆盖料刮去，过筛、保留下次再用，氮化硅基板胚子经加工磨光即可成为用户使用的氮化硅基板了。
本实施例生产的产品质量指标如下，导热率为95W/mk，，抗弯强度820MPa，热膨胀系数为2.5X10-6/k。

Claims (4)

1.高强度高导热氮化硅基板的生产方法，所述基板的的尺寸主要是边长为100mm-200mm的正方形或长方形，板厚为0.3-0.7mm，所述基板的成分，按重量比例如下：氮化硅78-82份，三氧化二镱0.5-1.5份，氧化鎂7-9份，氧化钇0.5-1.5份，其特征在于，具体步骤如下：
一、备料：
A、将上述原料粉末用砂磨机磨细，粒径D500.5微米，真空搅拌、真空烘干，造粒，用80目筛网过筛；
B、准备覆盖料，覆盖料的成分按重量比例为氮化硼6，碳化硼4，上述两种粉末混合均匀后得覆盖料；
二、压模：使用边长为100mm-200mm的长方形或正方形、高10-20mm的框形模具和程控压机，首先，在模具中添加覆盖料，刮平，按800kg/cm2的压力压平；其次加入基板料，刮平，按800kg/cm2的压力压平；最后加入覆盖料，刮平；按1200kg/cm2的压力压平，保压20秒钟后，被压实的三层胚料出模，这种上下有覆盖料，中间为基板料的胚料，俗称三明治胚料，在这种压实后的三明治胚料中，上下两层覆盖料厚度相等，每层覆盖料和基板料厚度之比为1.5-2:1，考虑到烧结时胚料的收缩，基板胚料的厚度为烧成厚度的1.5-1.7倍；
三、烧结、机加工。
2.根据权利要求1所述的高强度高导热氮化硅基板的生产方法，其特征在于，所述烧结是：把上述成型的三明治胚料放入震荡热压炉的石墨板夹层中，在震荡、加压、氮气保护下进行热夯实烧结，主压力150-200 kg/cm2，震荡压力20-50 kg/cm2，震荡频率，5-10次/分钟。
3.根据权利要求2所述的高强度高导热氮化硅基板的生产方法，其特征在于，主压力和震荡压力对三明治胚料都是垂直均匀布置。
4.根据权利要求1所述的高强度高导热氮化硅基板的生产方法，其特征在于，机加工是：由于覆盖料在1800°C是不能被烧结的，胚料出炉后使用刮刀将覆盖料刮去，过筛、保留下次再用，氮化硅基板胚子经加工磨光即成为用户使用的氮化硅基板了。
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