[发明专利]一种高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法

说明书

本发明属于高导热氮化硅陶瓷基板技术领域，特别涉及一种高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法。一种高导热氮化硅陶瓷基板，所述的陶瓷基板由若干氮化硅流延素坯叠层堆放而成，相邻的两氮化硅流延素坯设有中间层，中间层由两石墨板及两石墨条组成，两石墨条分别位于两石墨板两端之间且构成一腔室，石墨板上具有若干与所述腔室相通的孔洞，且石墨板与相对应的氮化硅流延素坯之间设有浆料分隔层。本发明制得的氮化硅陶瓷基板纯度和性能都较好，尤其具有较高热导率、优异力学性能。

技术领域

本发明属于高导热氮化硅陶瓷基板技术领域，特别涉及一种高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法。

背景技术

近年来，电子元器件的小型化以及大规模集成电路的快速发展对其所使用的陶瓷绝缘基板提出了更高的要求。在某些特定的领域中，不但要求陶瓷绝缘基板需要具有较高的热导率，而且还应该具有足够的强度和韧性。

目前，在工业中技术成熟且被普遍使用的陶瓷基板种类包括Al₂O₃和AlN陶瓷。然而，这两种陶瓷基板材料分别具有各自的劣势。Al₂O₃陶瓷基板的劣势在于其热导率较低、介电常数较大和热膨胀系数较高。这些问题都决定了Al₂O₃陶瓷基板只能够适用于功率较低的半导体器件。AlN陶瓷基板虽有较高的热导率，但其劣势在于其生产成本较高、力学性能较差，其抗弯强度一般只能够达到300～400MPa，断裂韧性为3～4MPa·m^1/2。这导致其在具有振动的工作环境中易发生损坏。Si₃N₄陶瓷是结构陶瓷中综合性能最好的一类材料，其力学性能优异，并且具有较高的理论热导率。根据研究表明，氮化硅陶瓷的抗弯强度和断裂强度都可以达到氮化铝陶瓷的两倍以上，理论热导率更能够达到400W/(m·k)左右。此外，Si₃N₄陶瓷的热膨胀系数较小，与Si、SiC和GaN等材料的匹配性较好，这些特性使氮化硅陶瓷成为未来半导体器件陶瓷绝缘基板材料的发展趋势。

高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法主要有两种：一种是烧结出氮化硅陶瓷块体，然后将其切割成所需厚度氮化硅基板，但通过这种方法制备氮化硅陶瓷基板的成本较高。另一种是通过流延成型的方法制备出所需厚度的氮化硅坯片，然后再通过适当的排胶、烧结工艺制得氮化硅陶瓷基板。相对于前一种制备方法，这种方法对于降低生产成本无疑具有巨大的优势。

尽管流延技术已经成熟应用于工业生产中，但高导热氮化硅陶瓷基板流延依然存在许多问题。首先，按目前流延工艺中所用的溶剂来分，可分为有机溶剂流延和水基流延系列两类。尽管水基流延具有成本低、安全卫生的特点，其缺点也是显而易见的，比如：(1)对粉料的湿润性较差、挥发慢和干燥时间长；(2)浆料除气较困难；(3)流延成膜后陶瓷坯片柔韧性较差，容易出现裂纹缺陷，强度不高等。因此，有机溶剂流延在实际生产过程中无论是在生产效率还是产品品质上都具有难以取代的地位。其次，在目前的有机溶剂流延成型工艺中采用的大多是具有一定毒性的有机溶剂，如甲苯、丙酮以及各类毒性较大的溶剂。这些溶剂对环境和人体健康都有危害。再者，浆料流延的坯片表面对于最后产品的性能有较大的影响，如何制备出厚度可调且在快速干燥过程中不容易产生裂纹的流延坯片十分关键。除此之外，如何将流延片堆叠在一起烧结而不发生粘结和翘曲并烧结均匀，以及如何采取合适的排胶烧结工艺，对于大批量低成本制备具有高热导率、优异力学性能的氮化硅陶瓷基板非常重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种热导率高、力学性能优异的氮化硅陶瓷基板。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种高导热氮化硅陶瓷基板，所述的陶瓷基板由若干氮化硅流延素坯叠层堆放而成，相邻的两氮化硅流延素坯设有中间层，中间层由两石墨板及两石墨条组成，两石墨条分别位于两石墨板两端之间且构成一腔室，石墨板上具有若干与所述腔室相通的孔洞，且石墨板与相对应的氮化硅流延素坯之间设有浆料分隔层。