[发明专利]一种电路用氮化硅陶瓷基片及其制备方法

说明书

本发明涉及陶瓷基片领域，提供一种电路用氮化硅陶瓷基片及其制备方法,解决采用现有技术的制备方法无法获得尺寸精度高、韧性高、热导率高的氮化硅陶瓷基板的问题；包括以下制备步骤:（1）流延浆料配制；（2）流延成型：将流延浆料通过流延机制备成流延素坯带；（3）冲切成形：将流延素坯带冲切成形为具有一定形状和尺寸的素坯片；（4）叠片；（5）排胶；（6）高温气压烧结；其中，所述α‑Si₃N₄粉体与助烧结剂的用量比以重量百分比计=90‑96:4‑10；所述α‑Si₃N₄粉体采用自蔓延法制备而成。

技术领域

本发明涉及陶瓷基片领域,分类号大类为B32B,特别是涉及一种采用自蔓延法合成氮化硅粉体并以其为主原料制成电路用陶瓷基片。

背景技术

陶瓷基板在电路中起承载元件、互联、外贴、保护和冷却等作用。随着电子信息、电力电子，尤其是高密度微电子封装、大功率模块等技术不断地向高集成化、高速度化、微型化、智能化的方向发展，与这一趋势相适应的主要基础元件之一的陶瓷基板的性能提出了更多、更高的要求。目前，广泛应用的A1₂O₃陶瓷基板已经越来越不适应上述技术发展的需要，其主要原因是A1₂O₃的热导率较低，约为20-30W/m·K，因此散热性能远达不到使用要求；而具有约160-230W/m·K高热导率的AlN陶瓷已经在大功率模块电路、可控硅整流器、大功率晶体管、半导体激光器、大功率集成电路、固体继电器、开关电源及其它要求既绝缘又高散热的大功率器件上，以及作为G高频多功能手提电话微电路芯片承载基板、第四代LED光源电路承载基板等领域应用日益广泛。然而，AlN陶瓷基板的抗弯强度仅为350-400MPa，断裂韧性≤2.7MPa·m^1/2左右，以及抗热震性能都不足够高，与A1₂O₃陶瓷基板相近，其强韧、抗热震性已经不适应下一代半导体器件，光伏电池和集成电路等新技术领域的需要。尤其是不适用于使用环境更为严酷的，需要高强、高热导、高抗热震性的工作条件。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；而氮化硅Si₃N₄陶瓷具有优异的力学、物理综合性能，尤其是兼具高强韧、高热导率的性能特性，抗弯强度≥600MPa、裂韧性6.0～8.0 MPa·m^1/2、热导率90-130 W/m·K，其陶瓷基板在电子信息、电力电子等高技术领域获得了越来越广泛的应用，已经越来越多地应用于IGBT大功率模块、5G通讯无线模块、LED封装、汽车电子和航天军工等领域，成为最有前途的衬底材料之一。

目前，制备氮化硅陶瓷基板大都采用硅粉直接氮化法或热分解法制备的氮化硅陶瓷粉体，这两种粉体的价格高居不下，非常不利于氮化硅陶瓷基板的市场开拓及扩展应用领域。

制备氮化硅陶瓷时，通常采用α-Si₃N₄含量≥92%的粉体作为原料，并且必须添加适量的助烧结剂，以实现致密化烧结。烧结助剂的不同会对烧结过程中的液相粘度、润湿性等性质产生不同的影响，从而改变液相烧结的传质机制，直接影响氮化硅烧结的溶解淀析进程，导致相转程度、晶格完整程度，晶粒形状及其尺寸、晶界相含量及其分布等显微结构的差异，从而影响材料的力学、热学性能。因此，合理选择烧结助剂的组成是制备高强韧、高热导率氮化硅陶瓷最为关键的技术之一。现有的技术大多是是采用添加少量（通常≤10wt%）的，如Y₂O₃、MgO等氧化物，在N₂气氛保护下、在高于1800℃的高温下通过液相烧结实现氮化硅陶瓷的致密化。值得注意的是，由于Si和O具有很强的亲和力，且一旦O进入Si₃N₄晶格就会导致氧缺陷产生而降低Si₃N₄陶瓷的热导率。因此，采用这一类氧化物作为烧结助剂不是最佳的选择。