一种高热导率、高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高热导率、高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法，所述氮化硅陶瓷材料包括主相β‑Si3N4、RE2Si3O3N4、以及晶界相，所述晶界相包括RE2Hf2O7、Zr0.82RE0.18O1.91、Zr3RE4O12、中的至少一种，所述RE为Y、Yb、Er、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和 Lu中的至少一种。本发明专利技术在较低的烧结温度条件下，采用压力较低的烧结方式，以HfO2、HfN或ZrN中的一种作为制备高热导率氮化硅陶瓷材料的烧结助剂之一，不仅可以显著提高氮化硅陶瓷的热导率，且不会影响氮化硅陶瓷的强度和韧性。

A Silicon Nitride Ceramic Material with High Thermal Conductivity and High Strength and Its Preparation Method

The invention relates to a silicon nitride ceramic material with high thermal conductivity and high strength and a preparation method. The silicon nitride ceramic material includes the main phase beta_Si3N4, RE2Si3O3N4, and the grain boundary phase. The grain boundary phase includes RE2Hf2O7, Zr0.82RE0.18O1.91, Zr3RE4O12, at least one of which is Y, Yb, Er, Sc, La, Ce, Pr. At least one of Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Tm and Lu. Under the condition of lower sintering temperature, adopting the sintering method of lower pressure and using one of HfO 2, HfN or ZrN as one of the sintering aids for preparing high thermal conductivity silicon nitride ceramics, the invention can not only significantly improve the thermal conductivity of silicon nitride ceramics, but also do not affect the strength and toughness of silicon nitride ceramics.

【技术实现步骤摘要】
一种高热导率、高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及一种高热导率、高强度氮化硅陶瓷及其制备方法，属于非氧化物陶瓷制备

技术介绍
电力电子器件中的半导体芯片数量愈来愈多、布线及封装密度也愈来愈高，统计分析表明，引起电子产品失效的原因中，热失效占近55％。因此提高作为集成电路重要支柱的散热陶瓷基片的热导率十分重要。目前市场上应用的陶瓷基片主要是Al2O3、AlN。但Al2O3的热导率较低(一般小于35W·m-1·K-1)，与硅芯片的热膨胀系数相差较大，只适合应用于小功率的电子器件中；AlN的热导率较高(160-230W·m-1·K-1)，但化学稳定性不高，遇水易分解形成Al(ON)3和NH3，而且机械性能较低。众所周知，BeO是最具代表性的高热导率陶瓷，但其具有很强的毒性，人体大量吸入后会导致急性肺炎，长期吸入会引发慢性铍肺病，在工业生产中已经逐渐停止使用；SiC陶瓷热导率较高(120-180W·m-1·K-1)，但其介电损耗较高，且绝缘性较差，因而应用受到限制。近年来，电子器件的功率密度不断增大，再加上陶瓷基片与金属电极之间的热错配性较大，使得陶瓷基片不仅要具有高的热导率，还应具有优异的强度。Si3N4陶瓷的强度约为AlN陶瓷的两倍，而且电绝缘性好、热膨胀系数与单晶硅相近，具有潜在的高热导率(理论预测本征热导率为200-320W·m-1·K-1)，尽管目前生产的氮化硅陶瓷的热导率比AlN的低，但是优越的力学性能使得其在陶瓷/金属封装等应用领域，可以通过减小基片的厚度来达到与AlN相当的散热效果，更有利于电子器件向小型化方向发展，可靠性也可以得到更好的保证。因此，氮化硅陶瓷在大功率密度电子封装等领域具有广泛的应用前景。氮化硅的强共价键性使得其必须添加一定量的烧结助剂通过液相烧结的方式来达到致密化，目前高热导率氮化硅陶瓷的烧结助剂多采用稀土化合物(RE2O3，REF3，RE包括Sc、Y等)和碱土金属化合物(如MgO，MgSiN2等)，研究表明非氧化物烧结助剂(如MgSiN2等)的引入可以减少氮化硅晶粒中的氧含量，有助于热导率的提高[H.Hayashi,K.Hirao,J.Am.Ceram.Soc.,84,3060-3062(2001)]。但目前没有商用的MgSiN2等非氧化物烧结助剂原料，需要自制，而且合成工艺复杂，原料成本较高。另一方面，高热导率氮化硅陶瓷材料通常要采用高烧结温度、高气氛压力、长时间的高温热处理，从而获得较高的热导率，制备成本非常高。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术旨在提供一种高热导率、高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法，所制备的样品可以满足作为散热和封装领域应用的要求。一方面，本专利技术提供了一种高热导、高强度氮化硅陶瓷材料，所述氮化硅陶瓷材料包括主相β-Si3N4、RE2Si3O3N4、以及晶界相，所述晶界相包括RE2Hf2O7、Zr0.82RE0.18O1.91、Zr3RE4O12、中的至少一种，所述RE为Y、Yb、Er、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的至少一种。本专利技术所述氮化硅陶瓷材料除了主相β-Si3N4和少量RE2Si3O3N4之外，还包括晶界相。所述晶界相为RE2Hf2O7、或Zr0.82RE0.18O1.91、Zr3RE4O12两者中的至少一种。其中晶界相熔点高，高温性能稳定使得本专利技术所述氮化硅陶瓷材料在不影响氮化硅陶瓷的强度和韧性的情况下具有更高的热导率。较佳地，所述氮化硅陶瓷材料的热导率大于70W·m-1·K-1，弯曲强度大于800MPa，断裂韧性大于6.0MPa·m1/2。另一方面，本专利技术提供了一种高热导、高强度氮化硅陶瓷材料的制备方法，包括：以MgO、RE2O3、烧结助剂、Si3N4粉体的总质量为100％计，按照0～2.0wt％MgO、2.5～4.0wt％稀土氧化物RE2O3、2.0～9.0wt％烧结助剂、余量为Si3N4粉体的质量百分组成称取，混合后再经过成型处理制得素坯，所述烧结助剂为HfO2、HfN和ZrN中的一种；将所得素坯置于0.1～5.0MPa的氮气气氛中，在1800～2000℃下进行烧结得到所述氮化硅陶瓷材料。本专利技术以Si3N4粉体为原料，通过选择HfO2、HfN和ZrN中的一种作为烧结助剂，并加入稀土氧化物和MgO，控制晶界相组分与微观结构，增强β-Si3N4晶粒的双峰分布。经过在较低的烧结温度(1800～2000℃)条件下，采用压力较低(0.1-5.0MPa)的烧结方式，制备得到高热导、高强度氮化硅陶瓷材料。本专利技术的显著特点在于添加烧结助剂HfO2或HfN或ZrN可以提供充足的液相使晶粒发育更为完善，从而有效提高氮化硅陶瓷的热导率，又不会影响氮化硅陶瓷的强度和韧性。再一方面，本专利技术还提供了一种高热导、高强度氮化硅陶瓷材料的制备方法，包括：以MgO、RE2O3、烧结助剂、所加硅粉完全转化为Si3N4后的量和原料中Si3N4粉体的总质量为100％计，按照0～2.0wt％MgO、2.5～4.0wt％稀土氧化物RE2O3、2.0～9.0wt％烧结助剂、余量为硅粉或含有硅粉的Si3N4粉体的质量百分组成称取，混合后经过成型处理制得素坯，所述烧结助剂为HfO2、HfN和ZrN中的一种；将所得素坯先在1300～1550℃下进行氮化处理，再将素坯置于0.1～5.0MPa的氮气气氛中，在1800～2000℃下进行烧结得到所述氮化硅陶瓷材料。本专利技术以硅粉或含有硅粉的Si3N4粉体为原料，选择HfO2、HfN或ZrN中的一种作为烧结助剂，并加入稀土氧化物和MgO，通过调节各组分的质量百分比，先经过氮化处理，使得硅粉完全氮化为Si3N4粉体，再经过在较低的烧结温度(1800～2000℃)条件下，采用压力较低(0.1-5.0MPa)的烧结方式，制备得到高热导、高强度氮化硅陶瓷材料。本专利技术的显著特点在于采用硅粉为原料可以减少晶格氧含量，从而有效提高氮化硅陶瓷的热导率，而且原料成本也大大降低。较佳地，所述氮化处理的气氛为氮气、或氢气的质量百分数低于10％的氢气和氮气的混合气体，所述氮化处理的气氛压力为0.1～0.15MPa。本专利技术中(若无特殊说明，所述方法指的是上述两种方法中的任一一种)，较佳地，当烧结助剂为HfO2时，所述烧结助剂的质量百分含量为5.5～9.0wt％；当烧结助剂为HfN时，所述烧结助剂的质量百分含量为4.0～9.0wt％；当烧结助剂为ZrN时，所述烧结助剂的质量百分含量为2.0～9.0wt％。较佳地，所述MgO的质量百分含量为0.5～2.0wt％。较佳地，所述稀土氧化物RE2O3为Y2O3、Yb2O3、Er2O3、Sc2O3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Tm2O3和Lu2O3中的至少一种。较佳地，所述烧结的温度为1800～2000℃，时间为2～20小时。较佳地，所述烧结的气氛为氮气，气氛的压力为0.2～3.0MPa。本专利技术的有益效果：在较低的烧结温度条件下，采用压力较低的烧结方式，以HfO2、HfN或ZrN中的一种作为制备高热导率氮化硅陶瓷材料的烧结助剂之一，不仅可以显著本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高热导、高强度氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述氮化硅陶瓷材料包括主相β‑Si3N4、RE2Si3O3N4、以及晶界相，所述晶界相包括RE2Hf2O7、Zr0.82RE0.18O1.91、Zr3RE4O12中的至少一种，所述RE为Y、Yb、Er、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和 Lu中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种高热导、高强度氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述氮化硅陶瓷材料包括主相β-Si3N4、RE2Si3O3N4、以及晶界相，所述晶界相包括RE2Hf2O7、Zr0.82RE0.18O1.91、Zr3RE4O12中的至少一种，所述RE为Y、Yb、Er、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm和Lu中的至少一种。2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述氮化硅陶瓷材料的热导率大于70W·m-1·K-1，弯曲强度大于800MPa，断裂韧性大于6.0MPa·m1/2。3.一种如权利要求1或2所述高热导、高强度氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：以MgO、RE2O3、烧结助剂、Si3N4粉体的总质量为100%计，按照0～2.0wt%MgO、2.5～4.0wt%稀土氧化物RE2O3、2.0～9.0wt%烧结助剂、余量为Si3N4粉体的质量百分组成称取，混合后再经过成型处理制得素坯，所述烧结助剂为HfO2、HfN和ZrN中的一种，优选为ZrN；将所得素坯置于0.1～5.0MPa的气氛中，在1800～2000℃下进行烧结得到所述氮化硅陶瓷材料。4.一种如权利要求1或2所述高热导、高强度氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：以MgO、RE2O3、烧结助剂、所加硅粉完全转化为Si3N4后的量和原料中Si3N4粉体的总质量为100%计，按照0～2.0wt%MgO、2.5～4.0wt%稀土氧化物RE2O3、2.0～9.0wt%烧结助剂、余量为硅粉或含有...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学建，蔡平，黄政仁，张辉，姚秀敏，杨晓，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31