一种高强度高热导氮化硅陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高强度高热导氮化硅陶瓷材料及其制备方法。所述高强度高热导氮化硅陶瓷材料的原料组成包括Si粉和烧结助剂；所述烧结助剂由稀土共沉淀粉体(RE

【技术实现步骤摘要】
一种高强度高热导氮化硅陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高强度高热导氮化硅陶瓷材料及其制备方法，属于无机非金属材料领域。

技术介绍

[0002]现如今，人类社会面临着能源短缺和环境污染问题。为了节约能源并且减少环境污染，目前能源从化石燃料能源转向电力能源。功率电子器件能够提高电能的使用效率，已经在工业机器人、新能源汽车和高速铁路等行业得到广泛的应用。为了实现电能转化效率的最大化，功率电子器件朝着小型化、高电压、大电流以及高功率密度的方向发展，这也加速了SiC、GaN等第三代半导体取代Si的进程。然而高功率密度使得功率器件内部产生较大的热应力，不利于器件的长期使用。因此，研究功率器件如何散热尤为重要。由于陶瓷基板的绝缘性优异，所以兼具良好的热导率和力学性能的陶瓷材料是用于大功率电子器件的理想材料。目前应用比较广泛的是氮化铝(AlN)陶瓷基板。虽然AlN的导热性能比较好，但是其力学性能比较差，而且在潮湿的环境中容易水解，不适用于高功率密度的功率电子器件。
[0003]氮化硅是一种具有优异的绝缘性、导热性、抗热震性和力学性能的高温结构陶瓷。有计算表明，β
‑
Si3N4的理论热导率高达320W/(m
·
K)。β
‑
Si3N4为长棒状结构，它们之间相互搭接有利于材料抗弯强度的提高。综合考虑力学性能和热导率，氮化硅是一种很潜力作为下一代大功率电子器件散热基板的材料。
[0004]高热导致密氮化硅的制备有两条主要的技术路线。一条是将高纯度高α<br/>‑
Si3N4含量的氮化硅粉体和烧结助剂混合直接高温烧结；第二条是将高纯度低氧含量的Si粉和烧结助剂混合进行氮化，然后再进行高温后烧结。第一条技术路线由于高纯度的氮化硅粉体成本较高，不利于高热导氮化硅基板的商业化。目前，研究学者一致认为导致氮化硅陶瓷热导率下降的最主要原因是晶格氧的存在产生了硅空位进而导致了声子散射，而晶界相的含量和分布对热导率的影响较小。Si粉中氧含量较低，能够有效地抑制晶格氧的产生，从而提高热导率。第二条技术路线与第一条相比主要有以下几个优点：
①
价格便宜，便于商业化；
②
近净尺寸烧结过程；
③
样品热导率高。因此Si粉氮化后烧结(SRBSN)是制备高热导氮化硅陶瓷的理想途径。
[0005]Si粉氮化虽然可以获得较高热导率的Si3N4陶瓷，但是氮化过程十分缓慢，导致整个制备周期延长。目前为止，科研人员已经进行了很多关于促进Si粉氮化的实验，并筛选出了一些作用效果明显的烧结助剂(Fe粉，ZrO2，Ce2O3，Eu2O3等等)。Fe和ZrO2虽然能够明显地促进Si粉氮化，但是烧结完成之后样品中分别会有FeSi2以及ZrN晶间相出现。FeSi2不利于热导率的提高，而且在高温下容易挥发导致样品的致密度下降损害热导率；ZrN以颗粒状态存在于晶间相中，损害了样品的力学性能，而且ZrN的导电性能较好，如果晶间相中ZrN过多，Si3N4基板的击穿电压会大幅度降低，不适用于大功率电子器件的散热。以Ce2O3为助剂虽然可以获得致密Si3N4陶瓷，但是由此制备的样品热导率较低。如何在不损害后烧结样品的力学性能和热导率的前提下促进Si粉氮化是当前的问题所在。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术的技术目的是提供一种全新的高强度高热导Si3N4陶瓷及其制备方法，所述氮化硅陶瓷以稀土共沉淀粉体(RE
x
Eu
y
)2O3和碱土金属氧化物为烧结助剂促进Si粉的氮化，能够调节后烧结中液相的组成和粘度影响微观形貌的发展，进而提高热导率。
[0007]一方面，本专利技术提供了一种高强度高热导氮化硅陶瓷材料。所述高强度高热导氮化硅陶瓷材料的原料组成包括Si粉和烧结助剂；所述烧结助剂由稀土共沉淀粉体(RE
x
Eu
y
)2O3和碱土金属氧化物组成，(RExEuy)2O3中的RE为Y、Yb、Tm中的一种，x的取值范围为88～98mol.％，y的取值范围为2～12mol.％；所述碱土金属氧化物为MgO、CaO、SrO和BaO中的至少一种；所述稀土共沉淀粉体和碱土金属氧化物的摩尔比为0.5:9.5～9.5:0.5；以Si粉全部转化为Si3N4计，烧结助剂占高强度高热导氮化硅陶瓷材料的含量为5～10mol.％。
[0008]在本专利技术中，使用(RExEuy)2O3(RE为Y、Yb、Tm中的一种)为稀土烧结助剂，既能促进Si粉的氮化，又不会损害后烧结样品的热导率。稀土烧结助剂中的Eu原子会促进Si粉的氮化过程，大幅度缩短氮化周期。Eu2O3可以和SiO2在较低的温度下反应生成液相，从而移除了Si粉表面的SiO2有利于氮化过程的进行。Tm
3+
、Yb
3+
和Y
3+
在后烧结过程中会参与到液相中修饰液相玻璃网络，促进液相中Si和N的扩散；此外，小离子半径的Tm
3+
、Yb
3+
和Y
3+
在后烧结液相总亲附氧的能力更强，能够有效地阻止氧进入氮化硅晶格形成缺陷造成声子散射。采用共沉淀方式得到的稀土烧结助剂与将两种稀土烧结助剂机械混合相比，有效地避免了由于机械混合法产生的稀土分布不均匀从而导致样品性能上的差异。
[0009]较佳地，以Si粉全部转化为Si3N4计，烧结助剂占高强度高热导氮化硅陶瓷材料的含量为6～8mol.％。
[0010]较佳地，所述稀土共沉淀粉体(RE
x
Eu
y
)2O3中x的取值为92～96mol.％，y的取值为4～8mol.％。
[0011]较佳地，所述稀土共沉淀粉体和碱土金属氧化物的摩尔比为1:6～6:1。
[0012]较佳地，所述氮化硅陶瓷材料的热导率为64.14
‑
110.3W/(m
·
K)，抗弯强度为476.4
‑
820.0MPa。
[0013]第二方面，本专利技术提供一种高强度高热导氮化硅陶瓷材料的制备方法。包括：按照所述氮化硅陶瓷材料的原料组成称取Si粉和烧结助剂并将其混合，得到混合粉体；将所得混合粉体压制成型后，首先在1200～1450℃下进行氮化处理，然后在于1850～1900℃下进行后烧结处理，得到所述高强度高热导氮化硅陶瓷材料。
[0014]较佳地，所述压制成型的方式为干压成型或/和等静压处理，优选为先干压成型后等静压处理；所述干压成型的压力为0.5～5MPa，所述等静压处理的压力为100～300MPa。
[0015]较佳地，所述氮化处理的气氛为氮气、或者氮气和氢气的混合气氛；所述氮化处理的时间为1～8h。
[0016]较佳地，所述后烧结处理的方式为气压烧结、热压烧结、热等静压烧结、放电等离子体烧结、震荡压力烧结或无压烧结；所述后烧结处理的时间≥2h；优选地，气压烧结的气氛为氮气，氮气压力≥1MPa。高温下高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度高热导氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述高强度高热导氮化硅陶瓷材料的原料组成包括Si粉和烧结助剂；所述烧结助剂由稀土共沉淀粉体(RE
x
Eu
y
)2O3和碱土金属氧化物组成，(RExEuy)2O3中的RE为Y、Yb、Tm中的一种，x的取值范围为88~98mol.%，y的取值范围为2~12mol.%；所述碱土金属氧化物为MgO、CaO、SrO和BaO中的至少一种；所述稀土共沉淀粉体和碱土金属氧化物的摩尔比为0.5:9.5~9.5:0.5；以Si粉全部转化为Si3N4计，烧结助剂占高强度高热导氮化硅陶瓷材料的含量为5~10mol.%。2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，以Si粉全部转化为Si3N4计，烧结助剂占高强度高热导氮化硅陶瓷材料的含量为6~8mol.%。3.根据权利要求1或2所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述稀土共沉淀粉体(RE
x
Eu
y
)2O3中x的取值为92~96mol.%，y的取值为4~8mol.%。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述稀土共沉淀粉体和碱土金属氧化物的摩尔比为1:6~6:1。5.根据权利要求1
‑
4中任一项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为64.14
‑
110.3W/(m
·
K)，抗弯强度为476.4

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宇平，李世帅，姚冬旭，夏咏锋，梁汉琴，尹金伟，
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：