CN1654427A

CN1654427A - 以氮化硅镁为烧结助剂的高热导氮化硅陶瓷的制备方法

Info

Publication number: CN1654427A
Application number: CN 200510023368
Authority: CN
Inventors: 彭桂花; 江国健; 李文兰; 张宝林; 庄汉锐; 徐素英
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2005-08-17

Abstract

一种采用氮化硅镁作为烧结助剂制备高热导、高强度氮化硅陶瓷的方法，属于非氧化物陶瓷制备领域。本发明中高热导、高强度Si₃N₄陶瓷是由α－Si₃N₄粉和MgSiN₂按100∶9～3的质量比例混合，采用热压烧结技术制备的。在制备过程中，先将原料在2MPa压力下成型，然后装入石墨模具中，在10～30MPa、1700℃～1800℃、保温时间1～20小时热压烧结。本发明制备的氮化硅陶瓷具备高的热导率的同时仍可保持高的强度，其中热导率可达125Wm^－1K^－1、三点抗折强度σ_b达800MPa。

Description

以氮化硅镁为烧结助剂的高热导氮化硅陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及高热导、高强度氮化硅陶瓷的制备方法，更确切的说是以氮化硅镁(MgSiN₂)粉体作为烧结助剂热压烧结制备高热导、高强度氮化硅陶瓷的方法，属于非氧化物陶瓷制备领域。

背景技术

自从上个世纪九十年代以来，以微电子和信息技术为代表的高新技术发展非常迅猛，现代电子器件向多功能、高可靠、长寿命、重量轻、体积小等方向发展，半导体芯片数愈来愈多、布线和封装密度愈来愈高，导致电路工作温度不断上升，热效应显得更为严重。要从根本上解决此问题，必须采用新材料，通过衬底进行散热。

通常可用作基片的陶瓷材料主要有Al₂O₃、BeO、SiC和AlN等。Al₂O₃陶瓷的热导率低(20W/m·K)，不适合高密度、大功率应用；BeO陶瓷是最具有代表性的高导热陶瓷，耐热性、化学稳定性及电绝缘性都非常好，热导率是Al₂O₃的10倍左右，但BeO有剧毒，大量吸入人体后会导致急性肺炎，长期吸入会引起慢性铍肺病，在工业生产中逐渐被停止使用；SiC陶瓷热导率也很高(270W/m·K)，但介电强度较低，因而其应用受到限制。AlN陶瓷是一种优良的高热导材料(100～260W/m·K)，正大力开发用作大规模集成电路、半导体模块电路和大功率器件的散热材料和封装材料，但目前AlN陶瓷存在制作成本高、易氧化、需抗水化处理等问题，这些问题影响它的大规模推广应用。近年来，人们在研究此类材料过程中，发现Si₃N₄符合Slack关于高热导材料的特征。Haggerty和Lightfoot根据Si₃N₄的结构提出β-Si₃N₄的理论热导率高达200～320W/m·K，而且还具有热膨胀系数与单晶Si接近、电绝缘性好、无毒等非常优异的性能，是一种理想的散热和封装材料。

Si₃N₄陶瓷与AlN陶瓷相比，具有不可替代的优势，Si₃N₄陶瓷强度容易达到600MPa以上，是AlN陶瓷(300MPa左右)强度两倍以上，在散热量相同的情况下，Si₃N₄陶瓷基片即使做得更薄仍能满足强度的要求；Si₃N₄抗氧化性比AlN强，可以水基处理，这样可大大降低成本。另外，Si₃N₄还具有常温和高温下一系列独特优异的物理、化学性能，如高韧性、低热膨胀系数、耐热冲击性、良好的绝缘性、耐磨损和耐腐蚀等，且性能保持至温度达到1000℃不明显下降。

Si₃N₄陶瓷的热导与声子散射的平均自由程有关，而后者又与Si₃N₄的晶格完整性和晶界有关，影响Si₃N₄导热性能的微观结构缺陷可分为两大类，第一类是Si₃N₄晶粒内部缺陷，如晶格畸变、空位、位错、层错、反相畴界等晶格缺陷和晶内析出物、固熔体、气泡等晶粒缺陷，其中Si₃N₄陶瓷中氧含量对Si₃N₄陶瓷的热导影响很大；另一类是晶界缺陷，包括晶界状态、晶界第二相、气孔及玻璃相等。研究表明，其中晶格中的氧对Si₃N₄陶瓷的导热性影响很大。

氮化硅是强共价键化合物，没有固定的熔点，在1850℃以上的温度下发生分解，又因为氮化硅自扩散系数低，只有当烧结温度接近氮化硅分解温度时，离子迁移才有足够的速度，因此固相烧结很难得到致密的氮化硅陶瓷。目前氮化硅陶瓷多采用液相烧结，即需要添加一定量的氧化物烧结助剂，高温时氧化物添加剂与表层的二氧化硅及氮化硅反应生成氧氮化物液相促进烧结。氧化物烧结助剂虽然能够和二氧化硅及氮化硅形成液相，但由于液相中有较多的杂质离子，使得氮化硅的陶瓷中有很多的缺陷，需要长时间的保温净化晶粒及晶界。另外，氧化物添加剂中的氧也可能进入Si₃N₄陶瓷的晶格中，进而影响到最终陶瓷烧结体的热导性能。

国内外研究人员正在积极地研究以氧化物作为烧结助剂如何得到高热导、高性能的Si₃N₄陶瓷。其中日本的H.Yokota等采用10mass％的Yb₂O₃和2mass％的ZrO₂作为烧结助剂，在0.9Mpa的氮气保护下，先在1900℃保温36小时，然后在1700℃保温100小时，得到热导率为150W/m·K的氮化硅陶瓷[H.Yokota，H.Abe，M.Ibukiyama，Effect of lattice defects on the thermalconductivity of β-Si₃N₄，J.Eur.Ceram.Soc.，23(2003)1751-1759]。国内清华大学也在积极研究如何制备高热导氮化硅陶瓷材料，其最高的热导率只有79W/m·K[Wei Xu，Xiao-shan Ning，He-ping Zhou，Yuan-bo Lin，Study on thethermal conductivity and microstructure of silicon nitride used for powerelectronic substrate，Mater.Sci.Eng.B，99(2003)475-478]。

本发明的提出以新型氮化物氮化硅镁粉体作为烧结助剂，通过热压烧结法来制备高热导高强度的Si₃N₄陶瓷，减少了传统氮化硅陶瓷所采用的氧化物烧结助剂中杂质氧对最终陶瓷性能的影响，取得了非常好的效果，在较低的温度较短的保温时间下可以达到较高的热导率，其热导率己达到125W/m·K，且保持较好的力学性能。到目前为止，尚未见到单独以氮化硅镁粉体作为烧结助剂制备Si₃N₄陶瓷的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以氮化硅镁作为烧结助剂制备高热导、高强度的氮化硅陶瓷的方法。

具体地说：

(1)以α-Si₃N₄和氮化硅镁为起始原料，两者质量比例为100∶9～3；其中α-Si₃N₄粉的α相含量＞83wt％，粒径为0.2～20μm之间，MgSiN₂粉体纯度＞98wt％，粒径为0.3～10μm，氮化硅镁是作为烧结助剂引入的。

(2)将上述步骤(1)的含有烧结助剂的粉料均匀混合后，先将原料在2MPa压力下成型，然后装入石墨模具中，在10～30MPa、1700℃～1800℃、保温时间1～20小时、氮气保护气氛下热压烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。

显然，本发明提供的高热导、高强度氮化硅陶瓷的制备方法与现有的氮化硅陶瓷的制备方法相比，具有以下几个优点：

(1)以相对较少的烧结助剂制备出致密氮化硅陶瓷

(2)在较短的保温时间下制备出高热导、高强度的氮化硅陶瓷

(3)所制备的氮化硅陶瓷具有优良的热学、力学性能，其中热导率可达125W/m·K、三点抗折强度σ_b达800MPa。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图

图2是本发明所提供的实施例1所得的氮化硅陶瓷的XRD图

图3是本发明所提供的实施例2所得的氮化硅陶瓷的XRD图

图4是本发明所提供的实施例1、2所得的氮化硅陶瓷抛光面腐蚀形貌图

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的特点，但不局限于实施例。

实施例1：

将含有5wt％烧结助剂氮化硅镁的粉料均匀混合后，先将原料在2MPa压力下成型，然后装入石墨模具中，在20MPa、1750℃、保温时间1小时、氮气保护气氛条件下热压烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。

由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达94W/m·K、三点抗折强度σ_b达1047MPa。经XRD鉴定，所得陶瓷的主晶相为β-Si₃N₄，如图2所示。其抛光面腐蚀形貌如图4(a)所示。

实施例2：

将含有5wt％烧结助剂氮化硅镁的粉料均匀混合后，先将原料在2Mpa压力下成型，然后装入石墨模具中，在20MPa、1750℃、保温时间12小时、氮气保护气氛下热压烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。

由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达125W/m·K，三点抗折强度σ_b为800MPa。经XRD鉴定，所得陶瓷的主晶相为β-Si₃N₄，如图3所示。其抛光面腐蚀形貌如图4(b)所示。

实施例3：

将含有8wt％烧结助剂氮化硅镁的粉料均匀混合后，先将原料在2MPa压力下成型，然后装入石墨模具中，在30MPa、1800℃、保温时间1小时、氮气保护气氛条件下热压烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。

由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达112W/m·K，三点抗折强度σ_b为900MPa。

实施例4：

将含有3wt％烧结助剂氮化硅镁的粉料均匀混合后，先将原料在2MPa压力下成型，然后装入石墨模具中，在20MPa、1700℃、保温时间20小时、氮气气氛保护条件下热压烧结。烧结结束后样品随炉冷却至室温。

由上述工艺制备的氮化硅陶瓷热导率可达104W/m·K，三点抗折强度σ_b为953MPa。

从上述四个实施方案可以看出，本发明采用MgSiN₂粉体作为β-Si₃N₄陶瓷制备的烧结助剂，并通过热压烧结的方法，获得了高热导、高强度的氮化硅陶瓷。

Claims

1.一种高热导、高强度氮化硅陶瓷的制备方法，包括配料、混合、成型和烧结，其特征在于：

(1)以α-Si₃N₄和氮化硅镁为起始原料，两者重量比例为100∶9～3；

(2)将上述步骤(1)的含有烧结助剂的粉料均匀混合后，先将原料在2MPa压力下成型，然后装入石墨模具中，在10～30MPa、1700℃～1800℃、氮气保护条件下热压烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温。

2.按权利要求1所述的高热导、高强度氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于所述的α-Si₃N₄粉的α相含量＞83wt％，粒径为0.2～20μm之间。

3.按权利要求1所述的高热导、高强度氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于MgSiN₂粉体纯度＞98wt％，粒径为0.3～10μm。

4.按权利要求1所述高热导、高强度氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于热压烧结的保温时间为1-20小时。

5.按权利要求1或4所述高热导、高强度氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于α-Si₃N₄与MgSiN₂的质量比为100∶5，混合均匀后，先在2MPa压力下成型，然后装入石墨模具中，在20MPa，1750℃保温12小时，氮气氛条件下烧结，烧结后样品随炉冷却。