CN112573936B - 一种氮化硅陶瓷基片的制备方法 - Google Patents

一种氮化硅陶瓷基片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氮化硅陶瓷基片的制备方法，包括如下步骤：步骤S1、将α‑Si3N4粉末、β‑Si3N4晶须、h‑BN粉末、烧结助剂和粘结剂通过辊压成型，制备得到β‑Si3N4晶须定向排列的片状坯体；步骤S2、将所述片状坯体经过脱脂处理后，得到脱脂坯体；步骤S3、将所述脱脂坯体进行气压烧结，使α‑Si3N4在所述β‑Si3N4晶须的诱导下发生相变并促进β‑Si3N4晶粒的取向生长，制备得到β‑Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片。本发明解决了现有的氮化硅陶瓷基片中氮化硅棒状晶粒杂乱排布，导致氮化硅陶瓷基片材料的散热性能不佳的问题。

Description

一种氮化硅陶瓷基片的制备方法
技术领域
本发明涉及无机陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种氮化硅陶瓷基片的制备方法。
背景技术
高频PCB电路板是构成包括射频前端和滤波器元件的基本元件，由贵金属电子浆料在绝缘基板上构筑电路形成。在高频应用背景下，降低传输损耗的需求更趋迫切，而高频陶瓷基板具有介质损耗小，热阻值小的优势，与高传导金属电路配套构成PCB电路板，可避免信号损耗，并增加元件稳定度和延长使用寿命。
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、摩擦系数小、抗高温蠕变、化学稳定性好等诸多优异性能，是综合性能极佳的结构陶瓷材料。而目前研究较为成熟的氧化铝陶瓷基片热导率较低，且热膨胀系数相对硅单晶而言偏高，使之在高频、大功率、大规模集成电路中的应用受到限制；氮化铝陶瓷基片力学可靠性较差，而氧化铍陶瓷基片有毒且污染环境。与传统的氧化铝、氮化铝陶瓷基板相比，氮化硅陶瓷基片综合性能优异，有望解决大功率半导体器件用陶瓷基板材料的迫切需求，其具有广阔的市场应用前景。但目前氮化硅陶瓷基片中的氮化硅棒状晶粒的杂乱排布和团聚导致其不能充分发挥出相应作用，既影响了氮化硅陶瓷基片的散热性能，也限制了氮化硅陶瓷基片材料的应用。
发明内容
本发明旨在解决现有的氮化硅陶瓷基片中氮化硅棒状晶粒杂乱排布，导致氮化硅陶瓷基片材料的散热性能不佳的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种氮化硅陶瓷基片的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须、h-BN粉末、烧结助剂和粘结剂通过辊压成型，制备得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体；
步骤S2、将所述片状坯体经过脱脂处理后，得到脱脂坯体；
步骤S3、将所述脱脂坯体进行气压烧结，使α-Si3N4在所述β-Si3N4晶须的诱导下发生相变并促进β-Si3N4晶粒的取向生长，制备得到β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片。
优选地，制备所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体包括：将所述α-Si3N4粉末、所述β-Si3N4晶须、所述h-BN粉末和所述烧结助剂混合均匀，得到混合粉体，再将所述混合粉体与所述粘结剂经过辊压成型，制备得到所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体。
优选地，制备所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体包括：
将α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须和烧结助剂混合均匀，得到混合粉体；
将所述混合粉体与所述粘结剂经过辊压成型，得到第一坯体；
将所述h-BN粉末和所述粘结剂经过辊压成型，得到第二坯体；
将所述第一坯体和所述第二坯体交替叠层设置后，经过辊压成型，制备得到所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体。
优选地，制备所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体还包括：将所述混合粉体与所述粘结剂经过辊压成型得到的坯体沿垂直长度方向进行切割，得到片状单元，将所述片状单元沿厚度方向叠层设置后，再沿所述片状单元的长度方向进行辊压，直至厚度小于坯体的初始厚度，即得到所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体。
优选地，制备所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体还包括：将所述第一坯体沿垂直长度方向进行切割，得到第一片状单元，将所述第二坯体沿垂直长度方向进行切割，得到第二片状单元，将所述第一片状单元和所述第二片状单元沿厚度方向交替叠层设置后，再沿片状单元的长度方向进行辊压，直至厚度小于坯体的初始厚度，即得到所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体。
优选地，所述氮化硅陶瓷基片中的β-Si3N4晶须沿所述氮化硅陶瓷基片的长度方向排列。
优选地，所述h-BN粉末为片状h-BN粉末。
优选地，所述α-Si3N4粉末、所述β-Si3N4晶须和所述h-BN粉末的总量和所述烧结助剂的质量比为75-85:5-15:10，其中，所述β-Si3N4晶须和所述h-BN 粉末的质量比为10:0.1-5:5。
优选地，所述片状坯体进行脱脂处理包括：将所述片状坯体加热至所述粘结剂的分解温度，以第一升温速率升温至所述粘结剂的挥发温度，再以第二升温速率将所述片状坯体的温度升至所述脱脂处理温度，进行所述脱脂处理，所述第一升温速率不高于0.5℃/min，所述第二升温速率不高于1℃/min，所述脱脂处理温度为500-700℃，所述脱脂处理时间为1-3h。
优选地，所述脱脂坯体进行气压烧结包括：将所述脱脂坯体的温度升至预气压烧结温度，进行预气压烧结，再将所述脱脂坯体的温度升至气压烧结温度，进行气压烧结，其中，升温速率为8-12℃/min，所述预气压烧结温度为1500℃，所述预气压烧结压力为0.5-1MPa，所述预气压烧结时间为1-2h，所述气压烧结温度为1800℃，所述气压烧结压力为5-10MPa，所述气压烧结时间为2-3h。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过在原料中引入β-Si3N4晶须，并通过辊压成型，制备得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体，再通过气压烧结使α-Si3N4晶粒发生相变生成β-Si3N4晶粒，并在β-Si3N4晶须的诱导下，促进β-Si3N4晶粒沿着β-Si3N4晶须的长度方向进行生长，得到β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片，从而解决了现有的氮化硅陶瓷基片中氮化硅棒状晶粒杂乱排布，导致氮化硅陶瓷基片材料的散热性能不佳的问题。
2、本发明中通过在原料中引入片状h-BN粉末，片状h-BN粉末在辊压成型的过程中，形成片层状结构，在气压烧结过程中起到阻碍氮化硅晶粒沿基片的厚度方向的原子扩散传质，约束了氮化硅晶粒沿厚度方向的生长，促进氮化硅晶粒沿基片长度方向的生长，从而起到辅助β-Si3N4晶须定向排列的作用。
3、采用本发明的制备方法制得的氮化硅陶瓷基片，β-Si3N4晶须定向排列程度较高，氮化硅陶瓷基片的散热性能优良，适用范围广，且本发明的制备方法简便易行，可控性好，适宜于工业化大批量生产。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的制备氮化硅陶瓷基片的流程图；
图2为本发明实施例1中片状单元进行叠层轧制得到片状坯体的示意图；
图3为本发明实施例2中片状单元进行叠层轧制得到片状坯体的示意图。
附图标记说明：
1-片状单元；2-第一片状单元；3-第二片状单元；4-片状坯体。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
另外，术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
此外，本发明虽然对制备中的各步骤进行了如S1、S2、S3等形式的描述，但此描述方式仅为了便于理解，如S1、S2、S3等形式并不表示对各步骤先后顺序的限定。
图1为本发明提供的制备氮化硅陶瓷基片的流程图。结合图1所示，本发明实施例提供了一种氮化硅陶瓷基片的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须、h-BN粉末、烧结助剂和粘结剂通过辊压成型，制备得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体；
步骤S2、将片状坯体经过脱脂处理后，得到脱脂坯体；
步骤S3、将脱脂坯体进行气压烧结，使α-Si3N4在β-Si3N4晶须的诱导下发生相变并促进β-Si3N4晶粒的取向生长，制备得到β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片。
通过在原料中引入β-Si3N4晶须，并通过辊压成型，制备得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体，再通过气压烧结使α-Si3N4晶粒在β-Si3N4晶须的诱导下发生相变生成β-Si3N4晶粒，并促进β-Si3N4晶粒沿着β-Si3N4晶须的长度方向进行生长，得到β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片，从而解决了现有的氮化硅陶瓷基片中氮化硅晶须和棒状晶粒杂乱排布，导致氮化硅陶瓷基片材料的散热性能不佳的问题。
具体地，步骤S1中，制备β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体包括：
(a)将α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须、h-BN粉末、烧结助剂混合均匀后，得到混合粉体，再将混合粉体与粘结剂经过辊压成型，制备得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体；
或，(b)将α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须和烧结助剂混合均匀后，得到混合粉体，将混合粉体与粘结剂经过辊压成型，得到第一坯体，将h-BN粉末和粘结剂经过辊压成型，得到第二坯体；将第一坯体和第二坯体交替叠层设置后，经过辊压成型，制备得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体。
不论是方法(a)还是方法(b)，将混合粉体与粘结剂混合均匀后，得到坯料，将坯料沿长度方向进行辊压，制备得到β-Si3N4晶须沿长度方向排列的片状坯体，从而使得到的氮化硅陶瓷基片中的β-Si3N4晶须沿氮化硅陶瓷基片的长度方向排列。β-Si3N4晶须呈棒状，其长度为5-20μm，直径为1-3μm，纯度≥70％，含有β-Si3N4晶须的混合粉体与粘结剂混合均匀后，将得到的坯料沿长度方向进行辊压，在辊压的过程中，轧辊会提供沿长度方向的压力，使棒状的β-Si3N4晶须发生转向沿长度方向排列，再经过后续的脱脂处理和气压烧结处理，得到氮化硅陶瓷基片中的β-Si3N4棒状晶粒沿氮化硅陶瓷基片的长度方向排列。
一般而言，氮化硅陶瓷基片的厚度较薄，通常不高于1mm，与氮化硅陶瓷基片的厚度相比，氮化硅陶瓷基片的长度一般较长，将氮化硅陶瓷基片中的β-Si3N4晶须沿氮化硅陶瓷基片的长度方向排列，能增大β-Si3N4晶须的表面积，从而能提高氮化硅陶瓷基片的散热性能。
方法(a)中，为了使片状坯体中的β-Si3N4晶须充分沿长度方向排列，提高氮化硅陶瓷基片的散热性能，在本发明的一些优选实施方式中，制备β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体还包括：将混合粉体与粘结剂经过辊压成型得到的坯体沿垂直长度方向(即沿垂直轧制方向)进行切割，得到片状单元，将片状单元沿厚度方向叠层设置后，再沿片状单元的长度方向进行辊压，直至厚度小于坯体的初始厚度，即得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体。
方法(b)中，为了使片状坯体中的β-Si3N4晶须充分沿长度方向排列，提高氮化硅陶瓷基片的散热性能，在本发明的一些优选实施方式中，制备β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体还包括：将第一坯体沿垂直长度方向进行切割，得到第一片状单元，将第二坯体沿垂直长度方向进行切割，得到第二片状单元，将第一片状单元和第二片状单元沿厚度方向交替叠层设置后，再沿片状单元的长度方向进行辊压，直至厚度小于坯体的初始厚度，即得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体。
坯体的初始厚度为未经切割的混合粉体与粘结剂经过辊压成型得到的坯体的厚度，或者，未经切割的第一坯体和第二坯体交替叠层的厚度。
需要说明的是，为了使β-Si3N4晶须高度定向排列，本领域的技术人员也可以重复上述操作，即重复切割片状坯体，并进行叠层辊压，本发明对叠层辊压的次数不做进一步限定，只要能使最终的厚度小于坯体的初始厚度即可。
h-BN粉末为片状h-BN粉末，且其直径为10-20μ m ，厚度为0.2-0.4μ m ，纯度≥99％。片状h-BN粉末与粘结剂混合均匀后，得到氮化硼坯料，将氮化硼坯料沿长度方向进行辊压，制备得到氮化硼沿长度方向排列第二坯体。h-BN 粉末呈片状，片状h-BN粉末与粘结剂混合均匀后，将得到的氮化硼坯料沿长度方向进行辊压，在辊压过程中，轧辊会提供沿长度方向的压力，使片状的 h-BN粉末发生转向沿长度方向排列，形成片层状结构，从而在气压烧结过程中起到阻碍氮化硅晶粒沿基片的厚度方向的原子扩散传质，约束了氮化硅晶粒沿厚度方向的生长，促进氮化硅晶粒沿基片的长度方向的生长，从而得到β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片。
其中，α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须和h-BN粉末的总量与烧结助剂的质量比为75-85:5-15:10。为了充分促进α-Si3N4在β-Si3N4晶须的诱导下发生相变并形成棒状β-Si3N4晶须，在本发明的一些优选实施方式中，α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须和h-BN粉末的总量与烧结助剂的质量比为80:10:10，其中，α-Si3N4粉末的粒径为0.3-0.5μm，纯度≥93％。
β-Si3N4晶须和h-BN粉末的质量比为10:0.1-5:5。以保证α-Si3N4在β-Si3N4晶须的诱导下，以及在h-BN粉末辅助下，能发生转向沿长度方向排列。
烧结助剂为稀土金属氧化物和氧化镁组成的二元烧结助剂，简称为 Re2O3-MgO(其中Re为稀土金属元素)，稀土金属氧化物和氧化镁组成的二元烧结助剂对氮化硅晶粒有更好的润湿性，能获得更加均匀致密的氮化硅陶瓷基片。优选地，稀土金属氧化物为氧化钇和/或氧化镧。
本发明对粘结剂的具体种类不做进一步限定，只要其能起到粘结作用即可，本领域的技术人员可以根据实际情况进行调整。例如，在本发明的实施例中，选用来源广泛、价格低廉的聚乙烯醇(简称PVA)作为粘结剂，且PVA 粘结剂的质量浓度为5％，即每100克PVA粘结剂中PVA的质量为5克。为了能提高片状坯体的柔韧性，便于对片状坯体进行切割和防止片状坯体在辊压的过程中开裂，在本发明的一些实施方式中，PVA粘结剂中还加入了增塑剂。为了在后续的脱脂处理过程中去除增塑剂，并避免增塑剂挥发产生毒性物质，在本发明的一些优选实施方式中，增塑剂为甘油，且甘油在PVA粘结剂中的加入量为5-10wt.％。
本发明对粘结剂的使用量不做进一步的限定，只要其能起到粘结的作用，将混合粉体和h-BN粉末粘结成型，便于后续进行辊压即可，本领域的技术人员可以根据实际情况进行调整。但为了缩短后续脱脂处理的时间，提高生产效率，在本发明的一些优选实施例中，混合粉体与粘结剂的质量比为8:2，h-BN 粉末与粘结剂的质量比为7:3。
本发明的实施例中，为了能使混合粉体混合得更加均匀，采用湿法混料进行混合，具体地，将制备混合粉体的原料与磨球混合均匀后，加入乙醇作为分散介质，进行球磨处理，得到混合浆料，将混合浆料烘干后，即得到混合粉体。其中，制备混合粉体的原料与磨球的质量比为1:5，球磨处理转速为 80-120r/min，球磨处理时间为10-16h，烘干温度为60℃，乙醇的使用量只要能没过球磨料和磨球即可。
具体地，步骤S2中，将片状坯体经过脱脂处理后，得到脱脂坯体包括：将片状坯体加热至粘结剂的分解温度，再以第一升温速率升温至粘结剂的挥发温度，最后以第二升温速率将片状坯体的温度升至脱脂处理温度，进行脱脂处理。
通过分段升温以尽可能除去片状坯体中的粘结剂和增塑剂，并避免温度剧烈升高或降低，导致氮化硅陶瓷基片开裂，影响其力学性能。
其中，粘结剂的分解温度和粘结剂的挥发温度根据具体选择的粘结剂的种类进行调整，本发明对粘结剂的分解温度和粘结剂的挥发温度不做进一步的限定。在本发明的实施例中，选用的PVA粘结剂的分解温度为200℃，PVA 粘结剂的挥发温度为200-400℃。
第一升温速率不高于0.5℃/min，通过调整第一升温速率不高于 0.5℃/min，以保证粘结剂能充分分解并挥发。
第二升温速率不高于1℃/min，通过调整第二升温速率不高于1℃/min，以保证尽可能除去粘结剂和增塑剂，避免其残留于氮化硅陶瓷基片中。
脱脂处理温度为500-700℃，脱脂处理时间为1-3h。优选地，脱脂处理温度为600℃，脱脂处理时间为2h。
将片状坯体加热至粘结剂的分解温度时，升温速率不高于1℃/min，防止温度剧烈升高，导致氮化硅陶瓷基片开裂，影响其力学性能。
具体地，步骤S3中，将脱脂坯体进行无压烧结包括：将脱脂坯体的温度升至预气压烧结温度，进行预气压烧结，再将脱脂坯体的温度升至气压烧结温度，进行气压烧结。
通过将脱脂坯体在较低的温度下先进行预气压烧结，以促进α-Si3N4晶粒发生相变生成β-Si3N4晶粒，再通过将脱脂坯体的温度升高，进行气压烧结，以促进β-Si3N4晶粒择优取向长大，即在β-Si3N4晶须的诱导下，促进β-Si3N4晶粒沿着基片的长度方向的生长，从而得到β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片。
其中，预气压烧结温度为1500℃，预气压烧结压力为0.5-1MPa，预气压烧结时间为1-2h，以充分促进α-Si3N4晶粒发生相变生成β-Si3N4晶粒。
气压烧结温度为1800℃，气压烧结压力为5-10MPa，气压烧结时间为 2-3h，以充分促进β-Si3N4晶粒择优取向生长，形成β-Si3N4棒状晶粒。
进行预气压烧结和气压烧结时，升温速率均为8-12℃/min，以保证α-Si3N4晶粒能更均匀的相变以及β-Si3N4晶粒能更均匀的生长。优选地，进行预气压烧结和气压烧结时，升温速率均为10℃/min。
为了保证脱脂坯体受热均匀，防止脱脂坯体粘连，并抑制氮化硅在高温下的分解，对脱脂坯体进行气压烧结时，将脱脂坯体掩埋于混合粉体中进行气压烧结，混合粉体由α-Si3N4、h-BN粉末和烧结助剂组成，α-Si3N4、h-BN 粉末和烧结助剂的质量比为50:40:10，其中，烧结助剂为Re2O3-MgO。
需要说明的是，本发明中对混合粉体的用量不做进一步限定，只要混合粉体能将脱脂坯体掩埋即可，本领域的技术人员可以根据实际情况进行调整。
为了对本发明进行进一步详细说明，下面将结合具体实施例对本发明进行进一步说明。本发明中的实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；本发明中的实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均为市场购买所得。
实施例1
本实施例提供了一种氮化硅陶瓷基片的制备方法，包括如下步骤：
1.1按照α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须和片状h-BN粉末的总量与烧结助剂 La2O3-MgO的质量比为80:10:10，以及β-Si3N4晶须和片状h-BN粉末的质量比为5:5，称取α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须、片状h-BN粉末和烧结助剂La2O3-MgO；将α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须、片状h-BN粉末和烧结助剂La2O3-MgO的总质量与氧化锆磨球的质量比为1:5混合均匀，并加入乙醇作为分散介质，至乙醇没过球磨料和磨球后，进行球磨处理，球磨处理转速为100r/min，球磨处理时间为12h，得到混合浆料，将混合浆料在60℃下烘干，得到混合粉体；将混合粉体与PVA粘结剂(含10wt.％的甘油)按照质量比为8:2混合均匀，得到坯料，将坯料沿长度方向进行辊压，得到厚度为1mm的坯体，将坯体沿垂直长度方向进行切割，得到片状单元1，将片状单元1沿厚度方向叠层设置后，再沿片状单元1的长度方向进行辊压，重复叠层辊压2-3次，直至厚度小于 1mm，得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体4；
1.2以1℃/min的升温速率将步骤1.1中制备得到的片状坯体4从常温升至200℃，再以0.5℃/min的升温速率将片状坯体4的温度从200℃升温至 400℃，随后再以1℃/min的升温速率将片状坯体4的温度升至600℃，保温 2h进行脱脂处理，得到脱脂坯体；
1.3将脱脂坯体放置于坩埚中，在坩埚中装入由50wt.％的α-Si3N4、40wt.％ h-BN粉末和10wt.％La2O3-MgO组成的混合粉体，将脱脂坯体掩埋于混合粉体中，再将坩埚放置于气压烧结炉中，以10℃/min的升温速率将脱脂坯体从常温升至1500℃，并在氮气气氛下，氮气压力为0.5-1MPa下保温1h，得到预气压烧结产物；再以10℃/min的升温速率将预气压烧结产物的温度从 1500℃升至1800℃，并在氮气气氛下，氮气压力为5-10MPa下保温2-3h，得到厚度小于1mm的β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片。
图2为本实施例中片状单元进行叠层轧制得到片状坯体的示意图。由图2 可以看出，经过叠层轧制后的片状坯体中的β-Si3N4晶须沿片状坯体的长度方向排列，且β-Si3N4晶须的定向排列程度比较高。得到β-Si3N4晶须沿坯体长度方向排列的片状坯体后，再经过后续的脱脂处理和气压烧结处理，促进α-Si3N4晶粒发生相变生成β-Si3N4晶粒，并在β-Si3N4晶须的诱导下，促进β-Si3N4晶粒沿着基片的长度方向的生长，得到β-Si3N4棒状晶粒沿基片长度方向排列的氮化硅陶瓷基片，从而得到高度定向排列且散热性能优良的氮化硅陶瓷基片。
实施例2
本实施例提供了一种氮化硅陶瓷基片的制备方法，包括如下步骤：
2.1按照α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须和片状h-BN粉末的总量与烧结助剂 La2O3-MgO的质量比为80:10:10，以及β-Si3N4晶须和片状h-BN粉末的质量比为5:5，称取α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须、片状h-BN粉末和烧结助剂La2O3-MgO；将α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须和烧结助剂La2O3-MgO的总质量与氧化锆磨球的质量比为1:5混合均匀，并加入乙醇作为分散介质，至乙醇没过球磨料和磨球后，进行球磨处理，球磨处理转速为100r/min，球磨处理时间为12h，得到混合浆料，将混合浆料在60℃下烘干，得到混合粉体；将混合粉体与PVA粘结剂(含10wt.％的甘油)按照质量比为8:2混合均匀，得到第一坯料，将第一坯料沿长度方向进行辊压，得到厚度为1mm的第一坯体；将片状h-BN粉末与PVA粘结剂(含10wt.％的甘油)按照质量比为7:3混合均匀，得到第二坯料，将第二坯料沿长度方向进行辊压，得到厚度为1mm的第二坯体，将第一坯体和第二坯体分别沿垂直长度方向进行切割，得到第一片状单元2和第二片状单元3，将第一片状单元2和第二片状单元3沿厚度方向进行交替叠层设置后，再沿片状单元的长度方向进行辊压，重复叠层辊压2-3次，直至厚度小于1mm，得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体4；
2.2以1℃/min的升温速率将步骤1.1中制备得到的片状坯体4从常温升至200℃，再以0.5℃/min的升温速率将片状坯体4的温度从200℃升温至 400℃，随后再以1℃/min的升温速率将片状坯体4的温度升至600℃，保温 2h进行脱脂处理，得到脱脂坯体；
2.3将脱脂坯体放置于坩埚中，在坩埚中装入由50wt.％的α-Si3N4、40wt.％ h-BN粉末和10wt.％La2O3-MgO组成的混合粉体，将脱脂坯体掩埋于混合粉体中，再将坩埚放置于气压烧结炉中，以10℃/min的升温速率将脱脂坯体从常温升至1500℃，并在氮气气氛下，氮气压力为0.5-1MPa下保温1h，得到预气压烧结产物；再以10℃/min的升温速率将预气压烧结产物的温度从 1500℃升至1800℃，并在氮气气氛下，氮气压力为5-10MPa下保温2-3h，得到厚度小于1mm的β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片。
图3为本实施例中片状单元进行叠层轧制得到片状坯体的示意图。由图3 可以看出，由混合粉体与PVA粘结剂组成的第一坯体将由片状h-BN粉末与 PVA粘结剂组成的第二坯体夹在中间，且经过叠层轧制后的坯体中的β-Si3N4晶须和片状h-BN粉末均沿片状坯体的长度方向排列，且β-Si3N4晶须和片状 h-BN粉末的定向排列程度均比较高。得到β-Si3N4晶须和片状h-BN粉末沿坯体长度方向排列的片状坯体后，再经过后续的脱脂处理和气压烧结处理，促进α-Si3N4晶粒发生相变生成β-Si3N4晶粒，并在β-Si3N4晶须的诱导下和片状 h-BN粉末形成的片层状结构的阻碍作用下，促进β-Si3N4晶粒沿着基片的长度方向的生长，得到β-Si3N4棒状晶粒沿基片长度方向排列的氮化硅陶瓷基片，从而得到高度定向排列且散热性能优良的氮化硅陶瓷基片。但由于h-BN与氮化硅的热膨胀系数不同，使h-BN片层与氮化硅片层在热振循环中易发生开裂，影响氮化硅陶瓷基片的使用寿命，因此，采用本实施例的方法制备得到的氮化硅陶瓷基片的适用工作温度范围比实施例1中的氮化硅陶瓷基片的适用工作温度范围更窄。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种氮化硅陶瓷基片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将α-Si3N4粉末、β-Si3N4晶须、片状h-BN粉末和烧结助剂混合均匀，得到混合粉体，再将所述混合粉体与粘结剂经过辊压成型，制备得到β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体，所述辊压成型是沿着所述片状坯体的长度方向进行辊压的；
步骤S2、将所述片状坯体经过脱脂处理后，得到脱脂坯体；
步骤S3、将所述脱脂坯体进行气压烧结，使α-Si3N4在所述β-Si3N4晶须的诱导下发生相变并促进β-Si3N4晶粒的取向生长，制备得到β-Si3N4棒状晶粒定向排列的氮化硅陶瓷基片。
2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷基片的制备方法，其特征在于，制备所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体还包括：将所述混合粉体与所述粘结剂经过辊压成型得到的坯体沿垂直长度方向进行切割，得到片状单元，将所述片状单元沿厚度方向叠层设置后，再沿所述片状单元的长度方向进行辊压，直至厚度小于坯体的初始厚度，即得到所述β-Si3N4晶须定向排列的片状坯体。
3.根据权利要求1-2任一项所述的氮化硅陶瓷基片的制备方法，其特征在于，所述氮化硅陶瓷基片中的β-Si3N4晶须沿所述氮化硅陶瓷基片的长度方向排列。
4.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷基片的制备方法，其特征在于，所述α-Si3N4粉末、所述β-Si3N4晶须和所述h-BN粉末的总量和所述烧结助剂的质量比为75-85:5-15:10，其中，所述β-Si3N4晶须和所述h-BN粉末的质量比为10:0.1-5:5。
5.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷基片的制备方法，其特征在于，所述片状坯体进行脱脂处理包括：将所述片状坯体加热至所述粘结剂的分解温度，以第一升温速率升温至所述粘结剂的挥发温度，再以第二升温速率将所述片状坯体的温度升至所述脱脂处理温度，进行所述脱脂处理，所述第一升温速率不高于0.5℃/min，所述第二升温速率不高于1℃/min，所述脱脂处理温度为500-700℃，所述脱脂处理时间为1-3h。
6.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷基片的制备方法，其特征在于，所述脱脂坯体进行气压烧结包括：将所述脱脂坯体的温度升至预气压烧结温度，进行预气压烧结，再将所述脱脂坯体的温度升至气压烧结温度，进行气压烧结，其中，升温速率为8-12℃/min，所述预气压烧结温度为1500℃，所述预气压烧结压力为0.5-1MPa，所述预气压烧结时间为1-2h，所述气压烧结温度为1800℃，所述气压烧结压力为5-10MPa，所述气压烧结时间为2-3h。
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