DE102017211320A1 - Component formed with beta-silicon nitride material and a method for its production - Google Patents
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Abstract
Das Bauteil, das mit β-Siliciumnitridwerkstoff gebildet ist weist eine Wärmeleitfähigkeit > 80 W/mK sowie eine dielektrische Durchlagsfestigkeit > 35 KV/mm auf. Ei der Herstellung wird pulverförmiges SiNzu einem blockförmigen Element geformt und bei einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 1700 °C verdichtet. Im Anschluss an eine nachfolgende Abkühlung aus dem blockförmigen Element werden Trägerelemente als scheibenförmige Elemente mit einer Dicke der einzelnen Trägerelemente im Bereich 100 µm bis 3 mm mittels eines Drahtsägeprozesses erhalten.The component formed with β-silicon nitride material has a thermal conductivity> 80 W / mK and a dielectric puncture resistance> 35 KV / mm. In production, powdery SiN is formed into a block-shaped member and compacted at a temperature of at least 1700 ° C in a heat treatment in a nitrogen atmosphere. Subsequent to subsequent cooling from the block-shaped element, carrier elements are obtained as disk-shaped elements with a thickness of the individual carrier elements in the range of 100 μm to 3 mm by means of a wire sawing process.
Description
Die Erfindung betrifft Bauteile, die mit β-Siliciumnitridwerkstoff gebildet sind sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Bei den Bauteilen handelt es sich bevorzugt um keramische Trägerelemente mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Diese Trägerelemente sind insbesondere für elektrische und/oder elektronische Bauelemente vorgesehen.The invention relates to components formed with β-silicon nitride material and to a method for their production. The components are preferably ceramic carrier elements with high thermal conductivity. These support elements are provided in particular for electrical and / or electronic components.
Keramische Substrate als Träger für insbesondere hochleistungselektronische Bauelemente sind entweder aus Al203 (kostengünstig, aber niedrige Wärmeleitfähigkeit (WLF)), aus AlN (hohe WLF, relativ hohe Kosten, nicht ausreichende Langzeitbeständigkeit aufgrund zu geringer Festigkeit). Es gibt Substrate aus Siliciumnitrid, die eine erheblich bessere Festigkeit, und dadurch höhere Lebensdauer, WLF um ca. 60-80 W/mK haben, aber höhere Kosten verursachen.Ceramic substrates as supports for in particular high-performance electronic components are made of either Al 2 O 3 (inexpensive, but low thermal conductivity (WLF)), AlN (high WLF, relatively high cost, insufficient long-term stability due to insufficient strength). There are silicon nitride substrates that have significantly better strength, and therefore longer life, WLF around 60-80 W / mK, but higher costs.
Alle bekannten Substrate sind mittels Foliengießen hergestellt. Si3N4-Folien sind schwerer zu sintern als AlN- und Al203-Werkstoffe, da sie oberflächlich Zersetzungszonen bilden, die die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften und auch die absoluten Werte der Festigkeit und die dielektrischen Eigenschaften begrenzen. Insbesondere, um hohe Wärmeleitfähigkeiten zu erreichen, müssen lange Sinterzeiten und hohe Temperaturen genutzt werden, die diese Nachteile verstärken. Die notwendige Dichtsinterung der Folien bei möglichst niedrigen Temperaturen (um Zersetzungserscheinungen zu minimieren) setzt einen möglichst hohen Anteil an Additiven voraus. Was sich tendenziell negativ auf die WLF auswirkt.All known substrates are produced by means of film casting. Si 3 N 4 films are more difficult to sinter than AlN and Al 2 O 3 materials because they form decomposition zones on the surface, which limit the reproducibility of the properties and also the absolute values of the strength and the dielectric properties. In particular, in order to achieve high thermal conductivities, long sintering times and high temperatures have to be used, which increase these disadvantages. The necessary density sintering of the films at the lowest possible temperatures (in order to minimize decomposition phenomena) requires the highest possible proportion of additives. What tends to have a negative impact on the WLF.
Es gibt eine Reihe von bekannten technischen Lösungen für Substrate aus Si3N4. Die Herstellung über das Foliengießen führt aber zu ungenügenden Ergebnissen, was die elektrische Durchschlagfestigkeit, Oberflächengüte, Ebenheit und die mechanische Festigkeit insbesondere hinsichtlich der Schwankungen der Eigenschaften betrifft.There are a number of known technical solutions for substrates of Si 3 N 4 . However, production via film casting leads to unsatisfactory results in terms of electrical breakdown resistance, surface quality, flatness and mechanical strength, in particular with regard to variations in properties.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von Bauteilen, die im Wesentlichen aus Si3N4 bestehen, anzugeben, die eine ausreichende mechanische Festigkeit, elektrische Durchschlagfestigkeit sowie eine entsprechend hohe Wärmeleitfähigkeit auch bei kleiner Dicke der Bauteile, insbesondere von Trägerelementen aufweisen und dabei kostengünstig hergestellt werden können.It is therefore an object of the invention to provide options for the production of components consisting essentially of Si 3 N 4 , which have sufficient mechanical strength, dielectric strength and a correspondingly high thermal conductivity even at a small thickness of the components, in particular of carrier elements and can be produced inexpensively.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Bauteil, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Diese Bauteile können mit einem Verfahren nach Anspruch 7 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention this object is achieved with a component having the features of claim 1. These components can be produced by a method according to claim 7. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird pulverförmiges Si3N4 zu einem blockförmigen Element geformt und bei einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 1700 °C gesintert. Im Anschluss an eine nachfolgende Abkühlung werden aus dem blockförmigen Element Trägerelemente als scheibenförmige Elemente mit einer Dicke der einzelnen Träger im Bereich 100 µm bis 3 mm mittels eines Drahtsägeprozesses erhalten.In the method of the present invention, powdery Si 3 N 4 is formed into a block-shaped member and sintered at a temperature of at least 1700 ° C. in a heat treatment in a nitrogen atmosphere. Subsequent to subsequent cooling, carrier elements are obtained from the block-shaped element as disk-shaped elements with a thickness of the individual carriers in the range of 100 μm to 3 mm by means of a wire sawing process.
Als Ausgangspulver sollte ein Ausgangspulver mit einem β- Si3N4 Gehalt 2 Vol.-% -15 Vol.-%, bevorzugt 5 Vol.-% - 10 Vol.-% eingesetzt wird. Dazu können dem Si3N4Ausgangspulver β- Si3N4-Keime zugegeben werden. β- Si3N4 wird auch bei der zur Sinterung führenden Wärmebehandlung durch Phasenumwandlung aus der metastabilen α- Modifikation gebildet.The starting powder used was an initial powder having a β-Si 3 N 4 content of 2% by volume to 15% by volume, preferably 5% by volume to 10% by volume. For this purpose, Si 3 N 4 starting powder β-Si 3 N 4 nuclei can be added to the Si. β-Si 3 N 4 is also formed during the sintering-leading heat treatment by phase transformation from the metastable α-modification.
Die Sinterung sollte bis zum Erreichen geschlossener Porosität möglichst bei niedrigen Stickstoffdrücken, also bei Drücken zwischen 0.05 MPa und 0.3 MPa - 0.5 MPa im Temperaturbereich von 1100°C bis 1700 -1750 °C erfolgen. Die niedrigeren Drücke sollten bei niedrigeren Temperaturen genutzt werden, bei denen eine geringere Zersetzung zu erwarten ist,. Ein zu niedriger N2-Druck, kann zur Zersetzung der Sinteradditive führen. Unter 1100°C ist die Zersetzung kinetisch behindert, daher ist in diesem Bereich der Druck nicht so entscheidend.
Die Bestimmung des Zeitpunktes des Porenabschlusses kann über Abbruchsinterungen oder dilatometrische Messungen erfolgen. Nach Erreichen der geschlossenen Porosität, die typischer Weise bei Dichten, die 95 % der theoretischer Dichte entsprechen, erreicht wird, ist es vorteilhaft den Druck auf 3 MPa bis 5 MPa zu erhöhen. Eine weitere Steigerung bis 10 MPa Stickstoffdruck bringt dann nur noch einen geringeren Effekt.
Bei der zur Sinterung durchgeführten Wärmebehandlung sollte ein Druck größer 5 MPa, bevorzugt bis zu 10 MPa eingehalten werden.The sintering should, if possible, be achieved at low nitrogen pressures, ie at pressures between 0.05 MPa and 0.3 MPa-0.5 MPa, in the temperature range from 1100 ° C to 1700 ° -1750 ° C, until closed porosity is reached. The lower pressures should be used at lower temperatures where less decomposition is expected. Too low an N 2 pressure can lead to the decomposition of the sintering additives. At 1100 ° C, the decomposition is kinetically impeded, so in this range the pressure is not so critical.
The determination of the point in time of the pore closure can be done via abortive or dilatometric measurements. After achieving the closed porosity, which is typically achieved at densities corresponding to 95% of the theoretical density, it is advantageous to increase the pressure to 3 MPa to 5 MPa. A further increase to 10 MPa nitrogen pressure then brings only a smaller effect.
In the heat treatment carried out for sintering, a pressure greater than 5 MPa, preferably up to 10 MPa, should be maintained.
Der Druck sollte also vorteilhaft während der zur Sinterung führenden Wärmebehandlung stufenweise erhöht werden. Dabei können der Druck und die Temperatur stufenweise erhöht werden, wobei der maximale Druck bei einer Temperatur im Bereich 1800 °C bis 1950 °C erreicht und über einem Zeitraum von 1 h - 10 h bevorzugt 3 h - 5 h gehalten werden sollte.The pressure should therefore advantageously be increased gradually during the heat treatment leading to the sintering. In this case, the pressure and the temperature can be gradually increased, wherein the maximum pressure at a temperature in the range 1800 ° C to 1950 ° C and reached over a period of 1 h - 10 h, preferably 3 h - 5 h should be maintained.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Sinterung großer Blöcke aus Si3N4, die dann effektiv mittels Drahtsägen in einzelne Bauelemente, insbesondere Trägerelemente (Substrate) mit vorgegebener beliebiger Dicke je nach Bedarf zwischen 100 µm und 3 mm geschnitten werden können.Particularly advantageous is the sintering of large blocks of Si 3 N 4 , which then effectively by means of wire saws into individual components, in particular support elements (substrates) with predetermined any thickness can be cut between 100 microns and 3 mm as needed.
Dadurch können schlechter sinterbare kostengünstige Si3N4-Ausgangspulver, die einen höheren β-Si3N4Gehalt > 3 Vol.-%, vorteilhaft > 5 Vol.-% oder besonders vorteilhaft > 10 Vol.-% aufweisen, genutzt werden. Diese üblicherweise über ein Direktnitridierungsverfahren hergestellten Ausgangspulver weisen einen geringen Sauerstoffgehalt auf und bewirken ein stärkeres Kornwachstum, was üblicherweise für das Sintern eigentlich nachteilig ist. Es hilft aber dabei die Sinterzeiten bis zur Erreichung hoher WLF zu verkürzen.As a result, less sinterable inexpensive Si 3 N 4 starting powders having a higher β-Si 3 N 4 content> 3% by volume, advantageously> 5% by volume or particularly advantageously> 10% by volume, can be used. These starting powders, which are usually produced by a direct nitriding process, have a low oxygen content and cause greater grain growth, which is usually disadvantageous for sintering. But it helps to shorten the sintering times until high WLF is reached.
Die Sinteradditive können primär in Hinsicht der hohen WLF und der hohen mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden. Die Randbedingungen, die durch das Sintern bestimmt werden, sind dabei viel weniger restriktiv als für das Sintern von Folien.The sintering additives can be selected primarily in terms of high WLF and high mechanical properties. The boundary conditions that are determined by the sintering are much less restrictive than for the sintering of films.
Als Sinteradditiv eignen sich Mischungen aus MgO, Seltenerdoxid, bevorzugt einem Oxid von Yttrium, Lanthan und/oder einem Lantanoid, sowie CaO mit ZrO2. Die Sinteradditive sollten aus einem Gemisch bestehen, in dem MgO und Seltenerdoxid im Verhältnis zwischen 20 : 80 und 60 : 40 (mol % : mol %), dem Ausgangspulver zugesetzt werden.Suitable sintering additives are mixtures of MgO, rare earth oxide, preferably an oxide of yttrium, lanthanum and / or a lanthanoid, and CaO with ZrO 2 . The sintering additives should consist of a mixture in which MgO and rare earth oxide in the ratio between 20:80 and 60:40 (mol%: mol%) are added to the starting powder.
Um ein besseres Processing in wässriger Lösung zu erreichen, kann das MgO und CaO als Silikat oder auch Carbonat (z.B. Mg2SiO4, Magnesit; Dolomit) zugegeben werden.To achieve better processing in aqueous solution, the MgO and CaO may be added as silicate or else carbonate (e.g., Mg 2 SiO 4, magnesite, dolomite).
ZrO2 ist erst einmal schlecht als Additiv in hoch wärmeleitfähigen Werkstoffen, da es eine geringe WLF hat. Zusätzlich unter Sinterbedingungen kann ZrO2 zu Zr (C,N,O)1-x (0≤x≤ 0.5Zikoncarbonitrid, Carbid, oder auch - Carbooxinitrid) reduziert werden und dadurch die Durchschlagsfestigkeit negativ beeinflussen. Aufgrund der besonderen Technologie der Sinterung und bei Einhaltung der Gehalte an stabilisierenden Elementen, kann erstens die Reduktion verhindert werden und zweitens ein schnelleres Sintern und Kornwachstum durch die Reduzierung der Viskosität der Schmelze und der Temperatur der minimalen Schmelzbildung erreicht werden. Dadurch kann trotz des Zumischens einer schlechter wärmeleitfähigen Komponente eine höhere Wärmeleitfähigkeit erreicht werden.ZrO 2 is bad at first as an additive in highly thermally conductive materials, because it has a low WLF. In addition, under sintering conditions, ZrO 2 can be reduced to Zr (C, N, O) 1-x (0≤x≤0.5Zikoncarbonitrid, carbide, or even - carbooxinitride) and thereby adversely affect the dielectric strength. Due to the particular technology of sintering and the maintenance of the contents of stabilizing elements, firstly the reduction can be prevented and secondly a faster sintering and grain growth can be achieved by reducing the melt viscosity and the minimum melt formation temperature. As a result, a higher thermal conductivity can be achieved despite the admixing of a less thermally conductive component.
In den Oberflächenbereichen der Blöcke im gesinterten Zustand bildet sich die kubische Phase mit NaCl Struktur (Zr (C,N,O)). Diese reicht aber maximal bis 100 µm - 200 µm in die Tiefe ausgehend von der Oberfläche und ist damit für die Eigenschaften der Scheiben nicht relevant. Im Falle des Sinterns von Einzelfolien, würde dieser Bereich mit schlechter Durchschlagsfestigkeit und schlechter Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit je nach Dicke jeweils ca. 25 % - 50 % der Dicke ausmachen und dadurch die elektrische Durchschlagsfestigkeit und Teilstromfestigkeit des Bauelementes minimieren. Ein zu niedriger N2-Druck während der Aufheizphase der Sinterung, kann zur bevorzugten Bildung des (Zr (C,N,O) führen. Unter 1100°C ist die Zersetzung kinetisch behindert, daher ist in diesem Bereich der gewählte Stickstoffdruck nicht so entscheidend.In the surface areas of the blocks in the sintered state, the cubic phase forms with NaCl structure (Zr (C, N, O)). However, this extends to a maximum of 100 μm - 200 μm in depth from the surface and is thus not relevant for the properties of the discs. In the case of single film sintering, this area with poor dielectric strength and poor oxidation and corrosion resistance would each account for approximately 25% -50% of the thickness, thereby minimizing the electrical breakdown and partial-current strength of the device. Too low an N2 pressure during the heat-up phase of sintering can lead to the preferential formation of (Zr (C, N, O)) below 1100 ° C the kinetically impaired decomposition, therefore the selected nitrogen pressure is not so important in this range.
Daher sollte die Sinterung so erfolgen, dass die Zersetzung des ZrO2 in Zr (C,N,O)1-x unterhalb der Randschicht verhindert wird. Das kann verhindert werden, indem noch geringe Restmengen an SiO2 im Volumen des Bauteils vorhanden sind, diese reagieren sofort mit möglicherweise lokal gebildetem ZrN, oxidieren es und bilden Si3N4. Daher ergibt sich so eine Möglichkeit die Aktivität des SiO2 in der Schmelze auf diese Weise zu kontrollieren. Diese kann zusätzlich sowohl über die Steuerung des N2-Druckes und des CO-Partialdruckes im Ofen erfolgen. Die Wirkung dieser Parameter kann mit thermodynamischen Rechnungen abgeschätzt werden.Therefore, the sintering should be done so that the decomposition of ZrO 2 in Zr (C, N, O) 1-x below the surface layer is prevented. This can be prevented by still small residual amounts of SiO 2 in the volume of the component are present, they react immediately with possibly locally formed ZrN, oxidize it and form Si 3 N 4 . Therefore, there is a possibility to control the activity of SiO 2 in the melt in this way. This can also be done both via the control of the N 2 pressure and the CO partial pressure in the oven. The effect of these parameters can be estimated by thermodynamic calculations.
Da das ZrO2 an sich ein schlechter Wärmeleiter ist, sollte der Gehalt an ZrO2 auf < 5 Masse-% begrenzt werden. Das ZrO2 kann dabei teilweise oder vollständig durch HfO2 ersetzt werden. Als zusätzliche Sinteradditive können in Summe mit 1 Masse-% - 5 Masse-% ZrO2 und/oder HfO2 dem Ausgangspulver zugegeben werden.Since the ZrO 2 is in itself a poor conductor of heat, the content of ZrO 2 should be limited to <5% by mass. The ZrO 2 can be partially or completely replaced by HfO 2 . As additional sintering additives, a total of 1% by mass - 5% by mass ZrO 2 and / or HfO 2 can be added to the starting powder.
Das ZrO2 kann als vollstabilisiertes Zr02 oder bei langsamer Abkühlung auch als kubische Phase partiell mit geordneten Sauerstoffdefekten in der Fluoritstruktur als Y4Zr3012 vorliegen. ZrO2 reinigt auch die Korngrenzen, da die Menge an verbleibender amorpher Glasphase minimiert werden kann, da die ZrO2 Phase als separate Partikel kristallisieren kann. Daher ist ein gewisser Mindestanteil zur Erreichung der Eigenschaften vorteilhaft (≥ 1Masse-%). The ZrO 2 can be present as fully stabilized ZrO 2 or, with slow cooling, as a cubic phase partially with ordered oxygen defects in the fluorite structure as Y 4 Zr 3 O 12 . ZrO 2 also cleans the grain boundaries because the amount of residual amorphous glass phase can be minimized because the ZrO 2 phase can crystallize as separate particles. Therefore, a certain minimum proportion for achieving the properties is advantageous (≥ 1 mass%).
Durch Pressen/isostatisches Pressen bei der Formgebung können höhere Gründichten erreicht werden, als beim Foliengießen, was das Sintern und die mechanischen Eigenschaften positiv beeinflusst.By pressing / isostatic pressing in the molding higher green densities can be achieved, as in the film casting, which positively influences the sintering and the mechanical properties.
Das Pressen oder isostatisches Pressen erfolgt typischerweise im Bereich zwischen 100 MPa und 250 MPa. Es sind aber durchaus auch höhere Drücke (in typischen industriellen Anlagen können zum Beispiel bis 400 MPa realisiert werden) möglich. Vor der Sinterung ist auch eine Grün- oder Weißbearbeitung möglich, um bestimmte Maße einzuhalten.The pressing or isostatic pressing is typically in the range between 100 MPa and 250 MPa. However, higher pressures are also possible (in typical industrial plants, for example, up to 400 MPa can be realized). Before sintering, a green or white processing is possible to meet certain dimensions.
Daneben können solche Formkörper auch durch Extrusion oder andere gängige Formgebungsverfahren hergestellt werden.In addition, such shaped bodies can also be produced by extrusion or other common shaping methods.
Es sind auch extrem dünne Substrate für die einzelnen Bauteile/Trägerelemente mit Dicken im Bereich 100 µm - 200 µm realisierbar, die mit Foliengießen nicht oder nur mit sehr großem Aufwand hergestellt werden können.There are also extremely thin substrates for the individual components / support elements with thicknesses in the Range 100 microns - 200 microns realized that can not be made with film casting or only with great effort.
Zum Trennen, das insbesondere durch Drahtsägen erreicht werden kann, kann eine SiC Suspension, in der SiC-Partikel mit 20 Masse-% - 50 Masse% mit der Körnung F320 - F800 enthalten sind, in Polyethylenglykol als Flüssigkeit eingesetzt werden. Alternativ kann eine Suspension, in der B4C-, Diamant- und/oder SiC-Partikel enthalten ist/sind, verwendet werden. Alternativ kann auch ein mit Diamantkörnern bestückter Draht genutzt werden.For separating, which can be achieved in particular by wire sawing, a SiC suspension containing SiC particles with 20% by mass - 50% by mass with the grain size F320 - F800 can be used as a liquid in polyethylene glycol. Alternatively, a suspension containing B 4 C, diamond and / or SiC particles may be used. Alternatively, a wire equipped with diamond grains can also be used.
Nach dem Sägen und oder weiteren Prozessschritten (Metallisierung; Bedruckung; Fügen von aktiven Elementen) können die Substratscheiben mittels Laser und oder anderer mechanischer Verfahren getrennt werden.After sawing and / or further process steps (metallization, printing, joining of active elements), the substrate slices can be separated by laser and other mechanical methods.
Im Ergebnis entsteht ein Werkstoff mit extrem verbesserten Eigenschaften. Es ist eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von > 35 KV/mm (gemessen an 200 µm dicken Substraten mittels Standardmethoden) erreicht. Der Stand der Technik liegt bei maximalen Werten im Bereich 20 KV/mm - 25 KV/mm.The result is a material with extremely improved properties. An electrical breakdown strength of> 35 KV / mm (measured on 200 μm thick substrates by standard methods) is achieved. The state of the art is at maximum values in the range 20 KV / mm - 25 KV / mm.
Es können Festigkeiten (ball on 3 ball) > 800 MPa an Substraten mit 0.5 mm Dicke und Festigkeiten von > 950 MPa gemessen an 200µm dicken Substraten bei ein Weibullmodul > 15 erreicht werden. Es ist eine Wärmeleitfähigkeit > 80 W/mK erreicht. Die Wärmeleitfähigkeit richtet sich dabei nach der Sintertemperatur und Sinterzeit. Höhere Temperaturen und Zeiten führen zu höheren WLF, aber auch zu einer Begrenzung der Festigkeit durch größere Körner.Strengths (ball on 3 ball)> 800 MPa can be achieved on substrates with a thickness of 0.5 mm and strengths of> 950 MPa measured on 200 μm thick substrates with a Weibull modulus> 15. It has a thermal conductivity> 80 W / mK. The thermal conductivity depends on the sintering temperature and sintering time. Higher temperatures and times lead to higher WLF, but also to a limitation of the strength due to larger grains.
Es tritt keine veränderte chemische Zusammensetzung an der Oberfläche auf, wie es typischerweise bei den über Foliengießen hergestellten Substraten der Fall ist, bei denen je nach Sinterbedingungen Randschichtdicken von 20 µm - 30 µm bei kurzen Sinterzeiten und bis zu mehreren 100 µm für lange Sinterzeiten und hohe Temperaturen der der Fall ist. Dadurch können hohe elektrische Durchschlagsfestigkeiten erreicht werden. Eine Voraussetzung für diese Werte ist auch eine Porosität < 1 bevorzugt < 0.5 %.There is no altered chemical composition on the surface, as is typically the case with the substrates produced by film casting, in which, depending on the sintering conditions, edge layer thicknesses of 20 .mu.m-30 .mu.m for short sintering times and up to several 100 .mu.m for long sintering times and high Temperatures are the case. As a result, high electrical breakdown strengths can be achieved. A prerequisite for these values is also a porosity <1, preferably <0.5%.
Es können eine Oberflächenrauigkeit < 0,5 mm (Ra) und eine totale Dickenvariation < 10 µm erreicht werden.It can be a surface roughness <0.5 mm (Ra) and a total thickness variation <10 microns can be achieved.
Auf Grund des Schneidprozesses besitzen die Substrate keine Verwölbungen, wie es bei gesinterten Folien oft der Fall ist. Abweichungen von der Ebenheit von 75 mm * 75 mm großen Substraten von < 10 µm - 15 µm können erreicht werden.Due to the cutting process, the substrates have no warping, as is often the case with sintered films. Deviations from the flatness of 75 mm * 75 mm substrates of <10 μm - 15 μm can be achieved.
In den Additiven und im Ausgangspulver sollte der Gehalt an Aluminium < 0,1 Masse-% betragen, da ein erhöhter Einbau von Al und O in das Si3N4- Gitter zu einer Reduzierung der WLF führt.In the additives and in the starting powder, the content of aluminum should be <0.1% by mass, since increased incorporation of Al and O into the Si 3 N 4 lattice leads to a reduction of the WLF.
Vorteilhaft ist, dass ein Pulver mit einem Sauerstoffgehalt im Pulver < 1.5 % genutzt wird. Je höher der SiO2 Gehalt ist, desto höher ist der Anteil an Sauerstoff der in das Si3N4 -Gitter eingebaut wird und dadurch die WLF potentiell reduziert.It is advantageous that a powder with an oxygen content in the powder <1.5% is used. The higher the SiO 2 content, the higher the amount of oxygen incorporated into the Si 3 N 4 lattice, thereby potentially reducing the WLF.
Es können zur Verbesserung der WLF β-Si3N4-Keime zugegeben werden, die je nach verwendeter Herstellung isotrop oder parallel oder senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet sein können. Mit parallel oder senkrecht in Bezug zur Oberfläche eines blockförmigen Elements bzw. Trägerelements ausgerichteten β-Si3N4-Keimen können anisotrope Eigenschaften, insbesondere eine anisotrope WLF erreicht werden. Die Ausrichtung der β-Si3N4-Keime kann durch uniaxiales Pressen der Pulvermischung, oder das gezielte Befüllen der Formen für das kaltisostatische Pressen zum Beispiel durch langsames einfüllen auf dem Rütteltisch und oder lagenweises Zwischenverdichten durch vertikales Rütteln oder die Kombination von uniaxialem Pressen und isostatischem Nachverdichten erreicht werden. Es können aber auch eine hohe Anzahl von anisotropen Folien hergestellt und dann übereinander bei hohem Druck laminiert werden.It can be added to improve the WLF β-Si 3 N 4 nuclei, which may be aligned isotropic or parallel or perpendicular to the substrate surface depending on the production used. Anisotropic properties, in particular an anisotropic WLF, can be achieved with β-Si 3 N 4 nuclei aligned parallel or perpendicular with respect to the surface of a block-shaped element or carrier element. Alignment of the β-Si 3 N 4 nuclei can be achieved by uniaxially pressing the powder mixture, or selectively filling the molds for cold isostatic pressing, for example, by slowly filling on the vibrating table and / or intermediate swaging by vertical vibration or the combination of uniaxial pressing and Isostatic recompression can be achieved. However, a high number of anisotropic films can also be produced and then laminated one on top of the other at high pressure.
Die β- Si3N4-Keime sollten eine mittlere Partikelgröße mit 3- bis 10-facher Größe der mittleren Partikelgröße des Ausgangspulvers aufweisen, damit sie die gewünschte Wirkung der Gefügevergröberung und Anisotropie ermöglichen.The β-Si 3 N 4 nuclei should have an average particle size of 3 to 10 times the average particle size of the starting powder so as to allow the desired effect of texture coarsening and anisotropy.
Der Gehalt an freiem oder gebundenem Kohlenstoff im gesinterten Werkstoff sollte 0.5 Masse-% bevorzugt 0.1 Masse-%, idealer Weise 0,05 Masse-% nicht überschreiten. Der Kohlenstoff bildet unter Sinterbedingungen typischer Weise SiC, welches halbleitend ist und daher die elektrischen Eigenschaften negativ beeinflusst. Darüber hinaus kann Kohlenstoff lokal die Sinteraktivität reduzieren (Reduktion der Additive). Das führt dann zu einer Reduktion der Festigkeit durch Bildung von Poren oder Porenclustern.The content of free or bound carbon in the sintered material should not exceed 0.5 mass%, preferably 0.1 mass%, ideally 0.05 mass%. The carbon typically forms SiC under sintering conditions, which is semiconductive and therefore negatively affects the electrical properties. In addition, carbon can locally reduce the sintering activity (reduction of the additives). This then leads to a reduction in strength through the formation of pores or pore clusters.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Ein Ausgangspulver, das aus durch Direktnitrieren erhaltenem Si3N4 besteht, (β-Si3N4-Gehalt bezogen auf den gesamt Si3N4-Gehalt von 12,5 Vol-%; Al-Gehalt < 0,05 Masse-%; Sauerstoffgehalt 0,6 Masse-%) wurde mit den Sinteradditiven Y2O3 (Partikelgröße d50 = 0,5 µm) MgO (d50 = 0,5 µm) und ZrO2 (TZ3Y der Fa Tosoh) in einer Rührwerkskugelmühle gemischt und nachzerkleinert (mittlere Partikelgröße ; d50 = 1 µm). Der Additivgehalt war 1 Masse-% MgO, 7 Masse-% Y2O3 und 1 Masse-% ZrO2.A starting powder consisting of Si 3 N 4 obtained by direct nitration, (β-Si 3 N 4 content based on the total Si 3 N 4 content of 12.5% by volume; Al content <0.05% by weight). % Oxygen content 0.6% by mass) was mixed with the sintering additives Y 2 O 3 (particle size d 50 = 0.5 μm) MgO (d 50 = 0.5 μm) and ZrO 2 (TZ3Y from Tosoh) in a stirred ball mill mixed and post-shredded (average particle size, d 50 = 1 μm). The additive content was 1 mass% MgO, 7 mass% Y 2 O 3 and 1 mass% ZrO 2 .
Die Suspension wird dann sprühgetrocknet. Die mittlere Granulatgröße war 61 µm. Die maximale Granulatgröße wurde durch Sieben bei 200 µm eingestellt. Höhere Granulatgrößen sind wegen möglicher größerer Defekte nicht wünschenswert. Um ein besseres Processing in wässriger Lösung zu erreichen, kann das MgO als Silikat oder auch Carbonat zugegeben werden.The suspension is then spray dried. The average granule size was 61 μm. The maximum granule size was adjusted by sieving at 200 μm. Higher granule sizes are undesirable because of possible larger defects. To achieve a better processing in aqueous solution, the MgO can be added as silicate or carbonate.
Das Granulat wurde in eine Gummiform gegeben und isostatisch bei 250 MPa gepresst und bis 550°C ausgeheizt. Die mittlere Aufheizgeschwindigkeit war 15 K/h - 30 K/h.The granules were placed in a rubber mold and pressed isostatically at 250 MPa and baked to 550 ° C. The average heating rate was 15 K / h - 30 K / h.
Der Block wurde dann bei 2bar in N2 Atmosphäre mit ca. 2K/min bis 1875°C erwärmt. Ab 1750 °C wurde parallel zum Hochheizen der Druck auf 10 bar erhöht. Während der Haltezeit bei 1875 °C wurde der Druck auf 60 bar erhöht und über 5 h gehalten.The block was then heated at 2 bar in N 2 atmosphere at ca. 2K / min to 1875 ° C. From 1750 ° C, the pressure was increased to 10 bar parallel to the heating. During the hold time at 1875 ° C, the pressure was increased to 60 bar and held for 5 h.
Die Abmessungen des gesinterten Blocks waren 75× 75 × 150 mm3.The dimensions of the sintered block were 75 × 75 × 150 mm 3 .
Nach der Abkühlung erfolgt ein Zertrennen des erhaltenen Blockes durch Schneiden, das vorzugsweise mit einem Suspension-basierten Vieldrahtsägeprozess erfolgt. Dabei werden ein Stahldraht sowie eine Suspension, bestehend aus einem Trägermedium (z.B. PEG-200) und losen Abrasivpartikeln (SiC) verwendet. Die Vorschubgeschwindigkeit wird an die Härte und die Zähigkeit des Si3N4-Werkstoffs angepasst und kann bis zu 0,5 mm/min betragen. Die Drahtgeschwindigkeit wird entsprechend des verwendeten Vorschubs geregelt und beträgt bis zu 20 m/s. Bei einem Drahtdurchmesser von 110 µm - 120 µm und SiC-Partikelgrößen von 6 µm - 30 µm kann ein minimaler Verlust an nicht nutzbarem Si3N4 erreicht werden.After cooling, the resulting block is severed by cutting, which preferably takes place by means of a suspension-based multi-wire sawing process. In this case, a steel wire and a suspension consisting of a carrier medium (eg PEG-200) and loose abrasive particles (SiC) are used. The feed rate is adjusted to the hardness and toughness of the Si 3 N 4 material and can be up to 0.5 mm / min. The wire speed is regulated according to the feed used and is up to 20 m / s. With a wire diameter of 110 μm-120 μm and SiC particle sizes of 6 μm-30 μm, a minimal loss of unusable Si 3 N 4 can be achieved.
Die nach dem Trennen erhaltenen Trägerelemente hatten eine Dicke von 200 µm eine Festigkeit bestimmt mittels ball on 3 ball analog der Methode von Danzer von 920 MPa + 65 (Institut für Struktur-und Funktionskeramik Montanuniversität Leoben, Ball on 3 Balls- Test (web-app: http://www.isfk.at/de/960/); und eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 43KV/ mm und eine Wärmeleitfähigkeit von 82 W/mK.The support elements obtained after separation had a thickness of 200 .mu.m a strength determined by ball on 3 ball analogous to the method of Danzer of 920 MPa + 65 (Institute of Structural and Functional Ceramics Montanuniversität Leoben, Ball on 3 balls test (web-app : http://www.isfk.at/en/960/); and an electrical breakdown strength of 43KV / mm and a thermal conductivity of 82 W / mK.
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