[發(fā)明專利]一種高導熱氮化硅陶瓷基片材料的制備方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201811358422.0 | 申請日： | 2018-11-15 |
| 公開（公告）號： | CN109400175B | 公開（公告）日： | 2020-07-31 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 張景賢;段于森;劉寧;江東亮 | 申請（專利權(quán)）人： | 中國科學院上海硅酸鹽研究所 |
| 主分類號： | C04B35/584 | 分類號： | C04B35/584 |
| 代理公司： | 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261 | 代理人： | 曹芳玲;鄭優(yōu)麗 |
| 地址： | 200050 *** | 國省代碼： | 上海;31 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 導熱 氮化 陶瓷 材料 制備 方法 | ||
本發(fā)明涉及一種高導熱氮化硅陶瓷基片材料的制備方法，包括：以氮化硅粉體或/和硅粉作為原料粉體，和燒結(jié)助劑混合后，得到混合粉體；將混合粉體和粘結(jié)劑混合后造粒，再經(jīng)壓制成型，得到素坯；將所得素坯經(jīng)脫粘、燒結(jié)后，再切割成規(guī)定厚度，得到所述氮化硅陶瓷基片材料。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種氮化硅陶瓷基片材料的制備方法，屬于陶瓷的制備工藝和應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)
高導熱氮化硅陶瓷基板是保證大功率電力電子器件安全運行的關(guān)鍵熱管理材料。電力電子器件是電力設(shè)備中電能變換和控制的核心單元，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了能源、交通、基礎(chǔ)工業(yè)等各個領(lǐng)域。常用的電力電子器件包括IGBT、逆變器等。我國已成為全球最大的電力電子器件需求市場，2013年市場總額近2000億元人民幣，2020預(yù)計達5000億元人民幣，年增長率近20％。相應(yīng)對陶瓷基片的需求也十分巨大。據(jù)估計，僅電動汽車一項，對陶瓷基片的需求將達60億元人民幣。
大功率化、高頻化、集成化是電力電子器件的發(fā)展方向。其功率可達KW級乃至數(shù)十GW以上。由于能量密度高，發(fā)熱嚴重，導致工作溫度不斷上升，嚴重影響器件的工作穩(wěn)定性和壽命。散熱問題已經(jīng)成為亟待解決的關(guān)鍵。目前常用的氧化鋁和氮化鋁基片材料，氧化鋁因熱導率低，無法有效散熱；而氮化鋁陶瓷雖然熱導率較高，但是因力學性能差，在使用中很容易因熱沖擊而引起開裂。氮化硅陶瓷兼具高導熱、高可靠性的優(yōu)勢，是目前唯一的候選材料。
氮化硅陶瓷是一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。具有高強、高韌、高溫性能優(yōu)異的優(yōu)勢，一直以來，在工業(yè)和民用領(lǐng)域有大量應(yīng)用。近年來，氮化硅陶瓷的高導熱性能和良好的微波透過性能也引起國內(nèi)外的關(guān)注，結(jié)合其良好的力學性能和高溫性能，是理想的大功率電力電子用陶瓷基片材料。但是，為了有效傳遞熱量，氮化硅陶瓷基片的厚度通常只有0.32mm，因此常用的方法是流延成型結(jié)合氣壓燒結(jié)。
但是，流延成型所添加原料多，工藝復雜，周期長，成本較高。而且采用流延成型工藝制備的基片，往往需要高溫壓平處理，由于基片材料堆疊層數(shù)有限，每次裝載的氮化硅基片也非常有限，最終導致制備成本增加。
發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)流延成型工藝制備氮化硅陶瓷基片材料存在的問題，提出采用塊體切割的新方案，主要有兩種途徑：一種是先制備出塊體氮化硅陶瓷素坯、在燒結(jié)之前切割，然后再燒結(jié)；另一種是在燒結(jié)之后進行切割制備氮化硅陶瓷基片。
一方面，本發(fā)明還提供了一種高導熱氮化硅陶瓷基片材料的制備方法，包括：
以氮化硅粉體或/和硅粉作為原料粉體，和燒結(jié)助劑混合后，得到混合粉體；
將混合粉體和粘結(jié)劑混合后造粒，再經(jīng)壓制成型，得到素坯；
當原料粉體僅為氮化硅粉體時，將所得素坯經(jīng)脫粘、素燒處理后，切割成規(guī)定厚度，再進行燒結(jié)，得到所述氮化硅陶瓷基片材料，所述素燒處理的溫度為1200～1600℃、時間為1～12小時；
或者當原料粉體含有硅粉時，將所得素坯經(jīng)脫粘、氮化處理后，切割成規(guī)定厚度，再進行燒結(jié)，得到所述氮化硅陶瓷基片材料，所述氮化處理的氣氛為氮氣、溫度為1380～1500℃、時間為2～48小時；
或者將所得素坯經(jīng)脫粘、燒結(jié)后，再切割成規(guī)定厚度，得到所述氮化硅陶瓷基片材料。
較佳地，所述燒結(jié)助劑為氧化鎂、氧化鈦、Y2O3、鑭系稀土氧化物中的至少兩種；所述原料粉體和燒結(jié)助劑的質(zhì)量比為(80～97)：(20～3)，當原料粉體含有硅粉體(硅粉)時，所述硅粉的質(zhì)量按照換算成氮化硅粉體后的質(zhì)量計算。
又，較佳地，當所述燒結(jié)助劑包括氧化鈦、Y2O3、鑭系稀土氧化物中的至少一種、以及氧化鎂；所述氧化鈦、Y2O3、鑭系稀土氧化物中的至少一種的摩爾含量和氧化鎂的摩爾含量的比為(2～5)：5。
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