[发明专利]一种高性能氮化硅陶瓷基片的批量化烧结方法

说明书

本发明涉及一种高性能氮化硅陶瓷基片的批量化烧结方法，包括：（1）将氮化硅陶瓷基片素坯叠放在氮化硼坩埚中，且在相邻氮化硅陶瓷基片素坯之间涂敷一层氮化硼粉体；（2）分步骤抽真空后，在氮气气氛或还原性气氛中、500～900℃下进行脱粘；（3）然后在氮气气氛中、1800～2000℃下气压烧结，实现高性能氮化硅陶瓷基片的批量化制备。

技术领域

本发明涉及一种高性能氮化硅陶瓷基片的批量化烧结方法，属于陶瓷材料制备领域。

背景技术

近年来，半导体器件沿着大功率化、高频化、集成化的方向迅猛发展。半导体器件工作产生的热量是引起半导体器件失效的关键因素，而绝缘基板的导热性是影响整体半导体器件散热的关键。此外，如在电动汽车、高铁等领域，半导体器件使用过程中往往要面临颠簸、震动等复杂的力学环境，这对所用材料的力学可靠性提出了严苛的要求。

高性能氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有优异的力学和热学性能，优良的力学性能和良好的高导热潜质使氮化硅陶瓷有望弥补现有氧化铝、氮化铝等基板材料的不足，在高端半导体器件，特别是大功率半导体器件基片的应用方面极具市场前景。

氮化硅陶瓷材料的主要烧结工艺有：反应烧结、热压烧结、无压烧结、气压烧结。

反应烧结氮化硅是以高纯Si粉(或引入少量Si₃N₄粉)为主要原料，首先在1300～1500℃进行氮化处理将Si转化为Si₃N₄，再升温到1750～1850℃进一步形成Si₃N₄致密陶瓷；该工艺的收缩率较小(5％以下)，适于制备复杂形状的工件，但容易产生氮化不完全、残留少量游离Si、材料性能偏低等难题。

热压烧结氮化硅是以Si₃N₄粉为主要原料，通过引入少量烧结助剂(通常是稀土氧化物和金属氧化物)，在1atm氮气保护气氛下、在1750～1850℃通过液相烧结机理、同时借助机械压力从而形成Si₃N₄致密陶瓷；该工艺制备材料一般具有较优异的性能，但该工艺需要借助外加机械压力，因此仅适于制备形状简单的工件，而且需要后续机械加工，生产效率低，不适合批量生产。

无压烧结(或常压烧结)氮化硅是以Si₃N₄粉为主要原料，通过引入适量烧结助剂，在1atm氮气保护气氛下、在1750～1850℃通过液相烧结机理形成致密Si₃N₄陶瓷；该工艺生产效率高，适合批量生产，但Si₃N₄粉在高温(约1800℃或以上)下易发生分解反应，导致材料性能相对偏低。

气压烧结氮化硅是以Si₃N₄粉为主要原料，通过引入适量烧结助剂，在一定压力氮气保护气氛下、在1800～2000℃通过液相烧结机理形成致密Si₃N₄陶瓷；该工艺是针对无压烧结氮化硅存在的高温分解难题而发展起来的制备工艺，氮气压力一般为0.1～10MPa，烧结温度可提高到1800～2000℃；该工艺利用高压氮气气氛的抑制作用解决了Si₃N₄的高温分解难题，进一步提高了烧结温度，保证了所制备材料的性能，同时保留了生产效率高的特点，适合批量生产，被公认为是制备高性能氮化硅陶瓷材料的最佳工艺方法。