[发明专利]一种高纯一体化氮化硅散热基板的制作方法

说明书

本发明公开了一种高纯一体化氮化硅散热基板的制作方法，属于大功率半导体模块封装的技术领域，包括：S1、将高纯氮化硅粉体与全氢聚硅氮烷(PHPS)充分混合，加入无水乙醇，充分搅拌均匀后，制得氮化硅基的浆料；S2、将S1中的浆料注入薄膜流延设备，流延成型为一定的厚度的薄基板；S3、将S2中得到的薄基板放置于干燥烘干设备中进行烘干处理；S4、将S3处理好的氮化硅基板放置于烧结炉中，抽真空，充入氮气和/或者氨气，维持正压，升温至熔融状态，待炉内温度稳定一段时间后断电，降温处理，随炉冷却制得高纯一体化氮化硅基板。该基板可用于大功率电子半导体模块的散热使用。

技术领域

本申请涉及散热基板加工技术领域，尤其涉及一种高纯一体化氮化硅散热基板的制作方法。

背景技术

大功率散热基板材料要求具有低成本、高电绝缘性、高稳定性、高导热性及与芯片匹配的热膨胀系数(CTE)、平整性和较高的强度等问题。为了满足这些要求，人们将目光投向了金属氧化物、陶瓷、聚合物、复合材料等。主要应用的散热基板材料有Al₂O₃,、AIN、Be0、SiC、BN、Si等。

金属氧化物Al₂O₃，虽然具有机械强度高、耐热冲击和介质损耗小等优点，但因为具有较低的热导率且高纯氧化铝难以烧结造价昂贵，故已不能满足大功率散热基板材料的要求；BeO热导率高，但其线膨胀系数与Si相差很大，高温时热导率急剧下降且制造时有毒，限制了其应用范围；BN虽然具有较好的综合性能，但作为基板材料价格太昂贵目前只处于研究和推广之中；SiC具有高强度和高热导率，但其电阻和绝缘耐压值都较低，介电常数偏大，不宜作为基板材料。硅作为散热基板材料加工困难，成本高；单一金属材料具有导电及热膨胀系数失配等问题，因此以上材料很难满足未来大功率散热基板材料的苛刻要求。

到目前为止，人们研究发现，AIN表现出高达200W/(m·K)的热导率，因此AIN高热导率散热材料已开始被应用在一些重要的大功率电子芯片的散热基板中。然而，由于AIN的机械性能不能充分满足大功率散热基板材料的要求(一般来说，弯曲强度300-400MPa，断裂韧性3-4MPa·m)，导致基板可靠性低。同时AIN的烧结温度很高(1900℃左右)且在水中容易水解形成偏铝酸，这也限制了AIN的应用。研究者们迫切希望寻求一种可替代AIN的具有高热导率和优良综合性能的散热基板材料，因此人们把注意力转向Si₃N₄，陶瓷材料Si₃N₄是一种共价键化合物，主要有α和两种晶体结构，均为六角晶形。其中B-Si₃N₄在平均原子量、原子键键强等方面与碳化硅、氮化铝较为相似，但结构相对复杂对声子散射比较大，故在早期阶段人们认为氮化硅的热导率很低”。直到1995年，Haggerty等提出复杂的晶体结构并非氮化硅低热导率的原因，而是晶格内缺陷、杂质等原因，并预测B-Si陶瓷热导率可以达到200-320W/(mK)。在1999年，Watar等用热等静压法在温度2773K，氮气压力200MPa的条件下制备出了热导率为155W/(m·K)氮化硅陶瓷，用实验的方法证明了氨化硅陶瓷具有很高的热导率。此外，研究者们对Si₃N₄热膨胀系数，机械性能、抗氧化性、电绝缘性、对环境的影响等方面分别进行了不懈的研究，发现均能获得令人满意的结果，因此氮化硅被认为是一种很有潜力的高速电路和大功率电子器件散热基板和封装材料。

氮化硅由于其高强度，低密度，热导率优异，同为硅基材料，具有与芯片匹配的热膨胀系数一时间成为最优异的散热基板的理想材料，理想的氮化硅基板强度高，热导率可达200～300W/(m·K)，但现实中使用的氮化硅的热导率却只有80～130W/(m·K)，导致这种现象的主要原因是因为氮化硅粉末在高温烧结时直接气化不能形成有效的熔区，在现阶段制备氮化硅的过程中一般添加稀土氧化物或者金属氧化物作为烧结剂，这种烧结剂的引入势必减弱氮化硅本身的热导率，所以氮化硅作为优秀的散热基板材料受制于在满足较强的机械性能的前提下能否找到无氧烧结剂，不引入氧元素能够很大程度提高热导率。

发明内容