[发明专利]一种氮化硅陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氮化硅陶瓷材料及其制备方法，所述氮化硅陶瓷材料包括氮化硅相和晶界相；所述氮化硅相的含量≥95wt%；所述晶界相为至少含有Y、Mg、O三种元素的混合物；所述晶界相的含量≤5wt%，且晶界相中结晶相的含量≥40vol%。

技术领域

本发明涉及一种氮化硅陶瓷材料及其制备方法，属于氮化硅陶瓷领域。

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、高速铁路、轨道交通等领域，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，这对所用材料的可靠性提出了严苛的要求。

高导热氮化硅(Si₃N₄)陶瓷由于其优异的力学和热学性能，被认为是兼具高强度和高导热的最佳半导体绝缘基板材料，在大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的散热应用方面极具潜力。氮化硅晶体的理论热导率可达400W·m^-1·K^-1以上，具有成为高导热基板的潜力。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、氮化铝等陶瓷基板材料的不足，在高端半导体器件、特别是大功率IGBT散热基板应用方面具有巨大潜力。然而，传统氮化硅陶瓷材料的热导率只有20～30W·m^-1·K^-1，根本无法满足大功率半导体器件基板散热的应用需求。

另一方面，氮化硅属于强共价键化合物，依靠固相扩散很难烧结致密，必须添加适量(添加量通常大于5wt％)的稀土氧化物和(或)金属氧化物作为烧结助剂(如Y₂O₃、La₂O₃、MgO、Al₂O₃、CaO等)，但烧结助剂的添加会显著降低氮化硅陶瓷的热导率，低的烧结助剂含量有助于获得高的热导，然而低烧结助剂含量又带来氮化硅陶瓷烧结致密化的难题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种氮化硅陶瓷材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种氮化硅陶瓷材料，所述氮化硅陶瓷材料包括氮化硅相和晶界相；所述氮化硅相的含量≥95wt％；所述晶界相为至少含有Y、Mg、O三种元素的混合物；所述晶界相的含量≤5wt％，且晶界相中结晶相的含量≥40vol％。

本公开中，氮化硅相组成含量高，且晶界相中结晶相的体积含量≥40％，该高的氮化硅结晶相和以及结晶的晶界相有利于减少声子的散射，提高氮化硅陶瓷材料的热导率和击穿场强。一般地，烧结助剂氧化物(如Y₂O₃、MgO等)和氮化硅粉体表面的少量原生氧化物(SiO₂、SiO_x等)在氮化硅陶瓷材料的高温烧结过程中将形成低共熔液相(即液相烧结机理)，而随着烧结温度的降低，这些低共熔液相往往以非晶玻璃相的形式转化为固态(即晶界相)而存在于所制备的氮化硅陶瓷材料中。与氮化硅晶粒相比，晶界相的热导率和击穿场强更低，而且晶界相中非晶玻璃相的含量越高，其相应的热导率和击穿场强就越低。

较佳的，所述氮化硅陶瓷材料中的杂质总量≤1.0wt％。

较佳的，所述杂质包括晶格氧、金属杂质离子、杂质碳中的至少一种。

较佳的，所述氮化硅陶瓷材料的热导率为90W·m^-1·K^-1以上，击穿场强为30kV/mm以上。