[发明专利]一种添加氟化物制备高导热氮化硅陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种添加氟化物制备高导热氮化硅陶瓷的方法。

背景技术

随着集成电路和功能器件的不断发展，人们对电路工作温度的散热问题提出了更高的要求。要解决这一严重的问题，必须采用新材料通过衬底进行散热。目前可用作电子基片的陶瓷材料有Al₂O₃、BeO、AlN等，其中Al₂O₃的热导率最高仅为31.7W/（m·K），难以满足集成技术快速发展的要求。陶瓷中BeO的导热率最高，但BeO的一个致命弱点就是其毒性很大，对于生产操作人员带来了不便，在工业生产中的使用受到了很大的限制。AlN陶瓷是一种优良的高导热材料，其热导率的理论值与BeO（320W/（m·K））相近，但AlN存在易氧化、抗水性差等问题，这影响了其应用范围。在不断寻找高导热陶瓷的研究中，Haggerty 等人计算得出Si₃N₄晶体的热导率可高达 320 W/(m·K)，并有着比AlN更高的机械强度。抗水性比AlN好，可以水基处理，降低了生产成本。此外具有电绝缘性好、无毒、强度高、抗氧化性好、线膨胀系数小、热稳定性好等优异的性能，能够在诸多恶劣的环境中使用，是一种理想的电子封装材料。

Si₃N₄是共健化合物，自扩散系数低，固相烧结很难得到高致密度的Si₃N₄陶瓷。目前Si₃N₄多采用液相烧结方式，在烧结过程中添加烧结助剂，使其在高温下与Si₃N₄表面的二氧化硅生成液相促进Si₃N₄的致密化。Si₃N₄陶瓷的中的杂质含量、晶界相、晶格缺陷等都是影响导热率的重要因素，其中晶格氧对声子散射十分显著，是影响Si₃N₄陶瓷热导率最主要的因素。要获得高热导率的氮化硅陶瓷，应选择合适的助剂、减少晶界相含量、提高原料的纯度、促进晶粒长大与发育完整等。要减小烧结助剂对氮化硅陶瓷热导率的影响，应选择合适的助剂量，过多的助剂会引入过多的杂质。同时避免引入Al元素，因为β-Si₃N₄有一定的溶Al能力，Al溶入晶格后生成固溶体，加剧了对声子的散射，降低热导率。本文采用氮化硅镁和稀土金属的氟化物作为烧结助剂，减少了传统陶瓷中氧化物助剂的氧杂质对陶瓷热导率的影响。

发明内容

本发明提供一种添加氟化物制备高导热氮化硅陶瓷的方法，该方法通过添加稀土金属氟化物来避免助剂中的氧进入氮化硅陶瓷的晶格中，减少了晶格氧杂质含量对陶瓷的热导率产生的不利影响，制备得到的氮化硅陶瓷具有较高的热导率，在电子封装材料领域具有巨大的应用潜力。本发明所采用的技术方案是：

（1）以α-Si₃N₄为原料，以氮化硅镁和稀土氟化物的混合物为烧结助剂，助剂的添加量为1～15wt%；

（2）首先用纳米TiC对原料Si₃N₄粉末进行表面改性的预处理，将处理后的原料、烧结助剂、粘结剂、晶种、消泡剂、溶剂放入球磨罐中混合均匀，再加入分散剂进行二次球磨，球磨后的混合浆料经过烘干、造粒、成型、烧结、热处理过程制备得到高导热氮化硅陶瓷。

进一步的，所述的Si₃N₄原料的α相＞90%，纯度＞99%，粒度为0.4～1.2μm。

进一步的，所述的稀土金属氟化物为YF₃、LaF₃、YbF₃、EuF₃、SmF₃、CeF3或NdF₃中的任一种或一种以上。

进一步的，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯醇中的任一种，晶种为β- Si₃N₄粉末，消泡剂为磷酸三丁酯，分散剂为丙烯酸树脂，用来调节pH值使浆料具有良好的流动性，溶剂为无水乙醇和丁酮，上述试剂的纯度均为分析纯以上。