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浅谈氮化硅陶瓷及其基板制备方法

氮化硅陶瓷,是一种烧结时不收缩的无机材料陶瓷。氮化硅的强度很高,尤其是热压氮化硅,是世界上最坚硬的物质之一。具有高强度、低密度、耐高温等性质。

Si3N4 陶瓷是一种共价键化合物,基本结构单元为[ SiN4 ]四面体,硅原子位于四面体的中心,在其周围有四个氮原子,分别位于四面体的四个顶点,然后以每三个四面体共用一个原子的形式,在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。

材料性能

Si3N4 陶瓷材料作为一种优异的高温工程材料,最能发挥优势的是其在高温领域中的应用。Si3N4 今后的发展方向是:充分发挥和利用Si3N4 本身所具有的优异特性;在Si3N4 粉末烧结时,开发一些新的助熔剂,研究和控制现有助熔剂的最佳成分;改善制粉、成型和烧结工艺; 研制Si3N4 与SiC等材料的复合化,以便制取更多的高性能复合材料。Si3N4 陶瓷等在汽车发动机上的应用,为新型高温结构材料的发展开创了新局面。汽车工业本身就是一项集各种科技之大成的多学科性工业,中国是具有悠久历史的文明古国,曾在陶瓷发展史上做出过辉煌的业绩,随着改革开放的进程,有朝一日,中国也必然跻身于世界汽车工业大国之列,为陶瓷事业的发展再创辉煌。

它极耐高温,强度一直可以维持到1200的高温而不下降,受热后不会熔成融体,一直到1900才会分解,并有惊人的耐化学腐蚀性能,能耐几乎所有的无机酸和30%以下的烧碱溶液,也能耐很多有机酸的腐蚀;同时又是一种高性能电绝缘材料。


氮化硅基板

氮化硅陶瓷基板是半导体功率模块是电力电子领域中最重要的功率器件之一,应用于电动汽车、轨道交通等领域

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同时当半导体功率模块使用在车辆等存在频繁震动的移动设施上,力学性能不足的陶瓷基板容易出现断裂,降低了半导体功率模块在使用过程中的可靠性。在实际生产过程中,通常使用240K-500K的热循环实验来检测试样的抗热震性能,普通的Al2O3和AlN一般在经受了50次热循环之后就会产生裂纹,在经历了500次热循环之后会发生铜电路的脱落,不能够满足电动汽车所要求的3000次热循环后仍能保持使用性能的要求。

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氮化硅陶瓷具有优异的力学性能,其抗弯强度和断裂韧性是氮化铝和氧化铝的2倍以上,并且具有高热导率、低热膨胀系数和高抗热震性等优点,更加适合于大功率半导体功率模块的应用实况,特别是应用在有振动场合的功率模块制备。高机械(抗弯强度和断裂韧性)强度的氮化硅基板,能在严苛的工作环境下具有较高使用寿命及更高可靠性,使电机动力系统中运行更加安全可靠。

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备注:氮化硅制成的陶瓷基板的挠曲强度比采用Al2O3和AlN制成的基板高。Si3N4陶瓷的断裂韧性甚至超过了氧化锆掺杂陶瓷。目前,国际上高导热氮化硅陶瓷基板主要的供应商有美国罗杰斯公司和日本东芝公司,其生产的高导热氮化硅陶瓷热导率均能达到90W·m-1·K-1,抗弯强度和断裂韧性也分别能达到650MPa和6.5MPa·m1/2左右。

氮化硅陶瓷基板的制备方法

制备氮化硅陶瓷基板的方法通常包括:先采用氮化硅粉体烧结出氮化硅陶瓷块体,切割即得陶瓷基板;另外可采用氮化硅粉通过流延成型的方法制备氮化硅陶瓷基板,无需经过机械切割。如上工艺技术都采用气压或者热压烧结,同时原料为氮化硅粉,使得氮化硅基板的成本高昂。

为了降低生产成本,在保证力学性能和热导率的前提下,可以采用价格低廉的高纯硅粉作为主要原料,采用流动氮气气氛烧结的方式制备氮化硅陶瓷,但是,在制备薄片状陶瓷基板过程中,采用硅粉流延成型(武汉坤元流延科技提供氮化硅流延设备)及高温氮化的方式制备氮化硅基板,易出现由于放热反应导致局部温度过高而产生熔硅的现象,从而影响纳米体育的良品率。

下文将引用广东工业大学的一项专利技术,为大家分享一种低成本制备高综合性能优异氮化硅基板的方法。

这种方法主要包含如下工艺步骤:将硅粉、氮化硅粉、烧结助剂、分散剂混合,加入溶剂,进行第一次球磨,再加入粘接剂和增塑剂,进行第二次球磨,经真空脱泡后,得到浆料,所述硅粉与氮化硅粉的质量比为(1:10)~(10:1),将浆料经流延成型,干燥,得到素坯,经真空排胶后得到生坯;将生坯烧结,得到氮化硅陶瓷基板。


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