[发明专利]一种基于热压烧结法制备的氮化硅基片材料

说明书

本发明公开了一种基于热压烧结法制备的氮化硅基片材料，所述基于热压烧结法制备的氮化硅基片材料是以氮化硅(Si₃N₄)、氮化硅镁(MgSiN₂)、助烧剂为原料，所述基于热压烧结法制备的氮化硅基片材料是将氮化硅(Si₃N₄)、氮化硅镁(MgSiN₂)、助烧剂混合均匀，加入溶剂无水乙醇经搅拌研磨40‑60小时得到混合均匀的浆料，混合浆料经100‑120℃烘干、过40‑200目筛得到氮化硅基片配方粉，所述氮化硅基片配方粉经干压成型后，在惰性或还原性气氛下，在20‑45MPa的压力下、1700‑1850℃下热压烧结1‑3小时制得。与现有技术相比，本发明通过优化配方和工艺参数，从而有效地控制氮化硅晶粒的大小和晶界的厚薄，最终得到可广泛应用于动态IGBT领域的高强高热导氮化硅基片材料。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种基于热压烧结法制备的氮化硅基片材 料。

背景技术

目前汽车、高铁、飞机、轮船都在向电驱动发展,控制驱动电动机就是使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)-绝缘栅双极型晶体管复合全控型电压驱动式功率半导 体器件。IGBT的优点是驱动功率小，饱和压降低，开关速度快。因此IGBT是电动设备的 首选。

但是IGBT模块电极电流增大时，可产生的额定损耗变大。开关损耗增大，器件发热加剧，必须把产生的热量尽快导出，使用陶瓷散热基片可以很好的解决散热问题。目前常用的陶瓷基片是Al₂O₃(氧化铝)和AlN(氮化铝)，Al₂O₃基片价格低、导热率在20W/m·k 左右、抗弯强度300MPa、断裂韧性4.5MPa/m^1/2；AlN基片导热率在150W/m·k左右、 抗弯强度300MPa、断裂韧性4MPa/m^1/2，由于这两种陶瓷基片的强度都不高，一直制约 着IGBT功率模块的可靠性，因此AL₂O₃与ALN并非最佳选择。

Si₃N₄陶瓷与AlN陶瓷相比，具有不可替代的优势，Si₃N₄陶瓷强度可高达到 600-1000MPa以上，是AlN陶瓷(300MPa左右)强度两倍以上，Si₃N₄陶瓷的理论热导高达 400W/m·k，现有产品一般在70-90W/m·k，在散热量相同的情况下，Si₃N₄陶瓷基片仍可以 更薄就能满足强度的要求；Si₃N₄抗氧化性比AlN强，可以水基处理，大幅降低成本。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1000℃高温不明显下 降，Si₃N₄陶瓷基片是IGBT的理想选择。

中国专利CN108585881A公开了一种高热导率氮化硅陶瓷及其制备方法，用以解决现 有热导率偏低的技术问题，通过将氮化硅粉进行脱氧处理、自然冷却，并将所得氮化硅粉 体研磨过筛；与烧结助剂在混合介质的作用下混合，混合结束后干燥、过筛，得到粉料；压制成型，得到氮化硅陶瓷生坯；最后经气压烧结，得到氮化硅陶瓷材料，与现有技术比较，通过对氮化硅粉体的脱氧处理，使得原始粉料含氧量更低，在烧结过程中降低晶格氧含量程度更高，更有利于避免声子散射，从而提高氮化硅陶瓷的热导率，制备的氮化硅陶瓷具有高热导率、良好的抗热震性能和耐高温性能，使用安全，是一种具有优良的力、热、电综合性能的氮化硅陶瓷基板材料。但是该方案中通过采用二元复合烧结甚至是三元以上的多元复合烧结，烧结过程中会引入越多的杂质，最终导致陶瓷基片的品质下降。

发明内容