[发明专利]一种高热导率、高致密性氮化硅材料的高压快速制备方法

说明书

本发明涉及一种高热导率、高致密性氮化硅材料的高压快速制备方法，该方法采用高温高压烧结技术，具体步骤是：在高压高温条件下(HPHT，4.5～5.5GPa,1400～1500℃)，采用平均粒径为0.5μm及以上的金刚石、石墨烯、TiN、AlN、MgO、Y₂O₃粉末等作为烧结助剂，不同质量配比的氮化硅(β‑Si₃N₄)粉末作为骨架材料制备高热导率、高致密性氮化硅块体材料。本发明所述的制备高性能结构材料的方法是通过β‑Si₃N₄与助剂的混合粉末烧结技术，形成β‑Si₃N₄、金刚石、陶瓷硬质相等烧结相，其烧结体具有较高的热导率和致密性(低气孔率)。该方法操作性强，工艺简单，不需要超高温度，可以大大缩短结构材料的合成时间，是一种适用于航空航天、军工、电子等领域的新型陶瓷材料。

技术领域

本发明属于块体结构陶瓷材料及器件制造领域，具体的说是一种具有高致密性(低气孔率)、高热导率优质氮化硅块体陶瓷材料的制备方法。

背景技术

随着我国航天、军工、电子等领域的快速发展，未来对大功率电力电子器件的需求也将越来越大。为了适应更加复杂、苛刻的应用条件，大功率电力电子器件朝着高温、高频、低功耗以及智能化、模块化、系统化方向发展，这对整个电子器件的抗热震性能提出了更严格的要求，制备高热导率陶瓷基板材料已成为研发大功率模块电子产品的关键所在。

通常认为理想的基板材料应该满足以下几个要素，即高硬度、高致密性、高抗热震性。在已知的基板材料中，有Al₂O₃、AlN、BeO、SiC、BN、Si等，但是它们也存在自身的不足及限制，其中，Al₂O₃的热导率较低且高纯氧化铝难以烧结造价昂贵；由于AlN的机械性能不能充分满足大功率散热基板材料的要求，导致基板可靠性低。同时AlN的烧结温度很高(1900℃左右)且在水中容易水解形成偏铝酸；BeO线膨胀系数与Si相差很大，高温时热导率急剧下降且制造时有毒；BN虽然具有较好的综合性能，但作为基板材料价格太昂贵，目前只处于研究和推广之中；SiC具有高强度和高热导率，但其电阻和绝缘耐压值都较低，介电常数偏大，不宜作为基板材料。硅作为散热基板材料加工困难，成本高；单一金属材料具有导电及热膨胀系数失配等问题，上述因素限制它们的应用。由此，寻找综合性能优异，可实现获得高效率、高硬度，高致密性、高热抗震性的新型陶瓷材料是基板材料制造行业的一个重要发展方向。氮化硅具有上述的优势，其产业已作为国家战略性新兴产业之一，获得国家大力发展支持。目前，氮化硅陶瓷的烧结方法主要有反应烧结法(RS)、热压烧结法(HPS)、常压烧结法(PLS)和气压烧结法(GPS)、放电等离子烧结(SPS)等。其面临的问题具体如下：反应烧结法需要二次烧结，在1200-1500℃下反应烧结，并将反应烧结的初坯置于气压烧结炉内，在1-9MPaN₂压力和1900℃的条件下保温3小时，制备氮化硅陶瓷。烧结样品致密度小，力学性能差，其热导率在1000℃时热导率为19.43W/(m·K)，在1200℃的热导率为17.59W/(m·K)。热压烧结法具有成本高、烧结工艺复杂等特点，需要在N₂的氛围下烧结，易引入塞隆相，不利于制备高热导率材料；常压烧结法，在 1700-1800℃温度范围内进行常压烧结后，再在1800-2000℃温度范围内进行气压烧结。该方法制造成本偏高，需要超高温条件，精度得不到控制，热导率不高，为19.4和19.8W/(m ·K)；气压烧结法需要通气体和施加压力，需要在1800℃，4h的条件下完成，粘结剂种类太多，多引入了过多的金属杂质和氧元素；放电等离子烧结的设备昂贵，每次烧结需要的成本极高。综上，可以总结为工艺复杂，多采用a-Si₃N₄高温相变或者掺杂β-Si₃N₄晶种进行烧结，烧结后再进行高温氮化处理等；需要超高温度，1650-2000℃；升温需要较长时间，而烧结时间通常需要几个小时才能制得块体材料；同时致密性不高(95-98％)，很难达到99％以上，热导率通常在17.59–35W/(m·K)左右，个别方法烧结材料的成本较高。基于此，发明一种操作性强，工艺简单，不需要超高温度，大大缩短Si₃N₄结构材料的合成时间，并具有高热导率和致密性(低气孔率)、较低成本的方法迫在眉睫，具有重要的现实意义。