[发明专利]一种高强度高热导氮化硅陶瓷基板及其制备方法和应用

说明书

本发明实施例公开了一种高强度高热导氮化硅陶瓷基板及其制备方法和应用，涉及陶瓷基板制备技术领域。制备方法包括：对分散剂和溶剂进行球磨处理，得到分散剂溶液；在保持球磨状态下依次向分散剂溶液中加入烧结助剂和氮化硅陶瓷粉体，继续球磨得到稳定悬浮液；向稳定悬浮液中加入增塑剂，在保持球磨状态下分多次向稳定悬浮液中加入粘接剂，继续球磨得到流延浆料；对流延浆料进行脱泡处理；通过流延成型工艺将流延浆料制备为生胚片；将生胚片堆叠后得到初始胚体；依次通过冷等静压工艺、排胶工艺以及烧结工艺将初始胚体制成陶瓷。通过本发明实施例提供的方法能够制备兼具高强度以及高热导的氮化硅陶瓷基板，并且氮化硅陶瓷基板强度的各向异性较小。

技术领域

本发明涉及陶瓷基板制备技术领域，尤其涉及一种高强度高热导氮化硅陶瓷基板及其制备方法和应用。

背景技术

能源作为人类社会生活和生产的重要物质基础，已成为社会发展过程中不可或缺的重要支撑。目前广泛使用的能源主要是化石能源。由于化石能源在使用过程中将产生污染气体，对环境造成危害；并且，化石能源作为一种不可再生资源，无法永久为人类提供能源。因此亟需寻找一种新的替代能源。电能因具备清洁、高效、可再生性等特点而受到人们的关注，已广泛应用于日常生活和工业生产中。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电能变换与传输的核心器件，在智能电网、高铁列车和新能源汽车等领域应用极广。随着使用需求的不断提升，IGBT逐渐向更大的功率密度，更小的产品尺寸，更集成化的功能等方面发展。这使得IGBT在运行过程中产生更多热量。若不能及时将IGBT内部多余的热量发散，这些热量便会在IGBT内部聚集，降低IGBT使用性能，并损害其使用寿命。封装技术作为IGBT产业链中的关键环节，不仅能使IGBT与外部隔离，提供机械支撑保护和电绝缘作用；还具备将IGBT内部多余热量发散的作用。陶瓷材料因兼具良好的热导率、优异的绝缘性和机械性能，已成为IGBT领域常用的封装基板材料。为了适应IGBT的发展方向和使用需求，陶瓷基板材料需具备更高的热导率和更大的机械强度，使得主要由传统陶瓷材料构成的陶瓷基板领域面临巨大的挑战。因此，亟需开发兼具优异热导率和机械性能的新型陶瓷基板材料。

氮化硅作为一种重要的结构陶瓷材料，具备优异的力学性能和抗热震性能(在空气中加热至1000℃以上，再急剧骤冷急剧加热，也不会碎裂)，并且有研究结果表明，室温下单晶氮化硅的理论热导率可达450W/m·K。因此，氮化硅陶瓷被视为制备高性能陶瓷基板的理想材料之一。由于晶格氧、杂质原子、位错、空位、晶界和残留的第二相等因素引起的声子散射作用，实际制备的氮化硅热导率远低于单晶氮化硅的理论热导率。为了获得高热导的氮化硅陶瓷，一般利用长时间高温保温，通过氧在高温下扩散速率更快作用，实现对氮化硅晶格的净化，降低晶格氧含量。此外，长时间高温保温也有可促进晶粒生长，降低晶界相对热导率的阻碍作用。但是，根据Hall-Petch原理，晶粒尺寸过大，将造成氮化硅陶瓷机械性能的快速恶化。由此可知氮化硅的高热导率和高强度是两个相互矛盾的性能，所以很难同时兼顾氮化硅陶瓷高热导率和高强度性能。

另一方面，由于β-氮化硅晶粒形貌为长棒状，因此其力学性能和热导率存在各向异性，可知β-氮化硅晶粒的排布方向也将影响氮化硅的机械性能和热导率。目前制备具有一定取向晶粒的方法有流延成型、强磁域辅助成型和热压流动等。强磁域辅助成型能够获得具有很高晶粒取向性的氮化硅制品，但因为需要辅以10T左右的强磁域，设备价格及使用成本都很高，难以大规模推广应用；热压流动方法也能获得较高晶粒取向的样品，但每次只能烧制一个样品且形状单一。此外，热压流动烧结与强磁域辅助成型法制备的试样都需要切割成片状，加工难度和成本也很高，不适合工业化推广应用。

基于以上论述可知，当前高性能氮化硅陶瓷基板的制备主要面临两个问题：一是难以同时兼顾氮化硅的高强度和高热导率，二是织构化后的烧成品性能存在各向异性。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是如何制备兼顾较高强度和导热性能，且强度各向同性的氮化硅基板。

为了解决上述问题，本发明提出如下技术方案：