一種高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能陶瓷領(lǐng)域，具體涉及一種高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路和功率器件的不斷發(fā)展，散熱問題對于產(chǎn)品性能提升的制約越來越嚴(yán)重，人們對于電子封裝基片和散熱材料的綜合性能提出了更高的要求。氮化硅陶瓷具有潛在的高熱導(dǎo)率(其理論熱導(dǎo)率可達(dá)200?320W.m 1.K 3、良好的絕緣性、耐腐蝕性、耐熱沖擊性和優(yōu)秀的力學(xué)性能，在電子封裝材料和散熱材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
[0003]由于氮化硅屬于強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，難以燒結(jié)致密，因此，為了提高氮化硅陶瓷的致密度以實(shí)現(xiàn)高的熱導(dǎo)率，在燒結(jié)氮化硅陶瓷時(shí)通常需要加入乙03，MgO，A1203等氧化物燒結(jié)助劑，在1800°C以上進(jìn)行氣壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)。這些燒結(jié)助劑的引入對于氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率具有不利的影響:氧原子可以溶入氮化硅晶格內(nèi)，造成晶體缺陷，對于傳導(dǎo)熱量的聲子起到散射作用；同時(shí)，殘留在氮化硅晶界間的氧化物具有較低的熱導(dǎo)率，對于熱量在氮化硅晶粒間的傳播造成了阻隔。
[0004]文獻(xiàn)“G.J.Jiang, J.Y.Xu, G.H.Peng, Η.R.Zhuang, ff.L.Li, S.Y.Xu, etal.Sintering of silicon nitride ceramics with magnesium silicon nitrideand yttrium oxide as sintering aids.3rd Internat1nal Congress onCeramics (Icc3): Advanced Engineering Ceramics and Composites，2011，18，，公開了一種高導(dǎo)熱氮化硅的制備方法，該方法以高純硅粉作為原料，采用Y203-MgO作為燒結(jié)助劑，以反應(yīng)重?zé)Y(jié)法制備了高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷。該方法需要在1900°C的高溫下長時(shí)間燒結(jié)，且燒結(jié)助劑的添加對于提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率具有不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，克服現(xiàn)有制備方法燒結(jié)溫度高、引入晶格氧原子和晶界相的問題。
[0007]技術(shù)方案
[0008]—種高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于步驟如下:
[0009]步驟1、Si3N4粉體的預(yù)處理:將Si 3N4粉于1700?1900°C，氮?dú)鈿夥罩袩崽幚?，然后用HF酸進(jìn)行酸洗；
[0010]步驟2、制備Si3N4粉預(yù)制體:將處理后的Si 3N4粉與溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑和消泡劑混合球磨，得到Si3N4漿料；對漿料進(jìn)行流延成型厚度為0.1?0.5mm的Si 3N4流延薄層；對薄層進(jìn)行剪裁和疊層，得到坯體相對密度為30?60%的Si3N4粉預(yù)制體；所述漿料中Si3N4粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30?60% ;所述溶劑為無水乙醇和丁酮按體積比1:1混合；所述溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30?50% ;所述分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2?4% ;所述粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2?4% ;所述消泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2?4% ;
[0011]步驟3、液硅滲透:將Si3N4粉預(yù)制體包埋在高純硅粉中，置于真空爐內(nèi)，在1450?1650°C的溫度下進(jìn)行液硅滲透，得到致密的Si3N4/Si ;
[0012]步驟4、氮化燒結(jié):將Si3N4/Si置于氮化爐中，在1200?1600°C的溫度下，氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行氮化燒結(jié)，得到致密的氮化硅陶瓷。
[0013]所述球磨是置于滾筒式球磨機(jī)中球磨12?24h。
[0014]所述分散劑為磷酸三乙酯。
[0015]所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛。
[0016]所述增塑劑為丙三醇和鄰苯二甲酸二辛酯按體積比1:1混合。
[0017]所述消泡劑為正丁醇和乙二醇按體積比1:1混合。
[0018]所述的Si3N4粉粒徑為0.3?10 μ m。
[0019]所述的高純Si粉純度不低于99.9%。
[0020]所述的Si3N4粉預(yù)制體厚度為0.5?5mm。
[0021]有益效果
[0022]本發(fā)明提出的一種高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，首先對Si3N4粉進(jìn)行熱處理和酸洗處理，然后配制Si3N4楽料，用流延工藝制備Si 3N4薄層，對薄層切割疊層后得到多多孔的氮化硅粉預(yù)制體。然后采用高純硅粉對預(yù)制體進(jìn)行液硅滲透，得到致密的Si3N4/Si。在氮化爐中對Si3N4/Si進(jìn)行氮化處理，使材料中的Si發(fā)生氮化反應(yīng)生成Si3N4。與制備高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷常用的工藝如等靜壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等相比，本發(fā)明采用流延法結(jié)合液硅滲透成型，氮化燒結(jié)工藝，不需或僅需少量機(jī)械加工，制備溫度低，且不需要添加燒結(jié)助劑，避免了晶界相對于材料熱導(dǎo)率的影響。所制備的氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率可達(dá)80?120Wm 'K ^
[0023]本發(fā)明的有益效果是:采用流延法結(jié)合液硅滲透法成型，適合于電子基片和散熱片的生產(chǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)近凈成型，減少后續(xù)加工。與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，本發(fā)明可以不添加燒結(jié)助劑而實(shí)現(xiàn)氮化硅陶瓷的致密化，消除了雜質(zhì)氧原子和晶界相的影響；氮化燒結(jié)成型溫度低，設(shè)備相對簡單。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法流程圖。
[0025]圖2是本發(fā)明高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的斷口掃描電子顯微鏡形貌圖。
[0026]圖3是本發(fā)明高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的XRD物相分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0028]實(shí)例1:選擇粒徑為1.2 μ m的β _Si3N4粉，在1800°C，0.3MPa N 2氣氛下熱處理2個(gè)小時(shí)，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的HF酸對熱處理后的Si3N4粉進(jìn)行酸洗6個(gè)小時(shí)，烘干備用。稱取50g處理后的Si3N4粉，加入50g溶劑，溶劑為無水乙醇和丁酮按體積比1:1混合，4g分散劑磷酸三乙酯，放入尼龍球磨罐中，再加入氮化硅磨球，在滾筒式球磨機(jī)上球磨12小時(shí)；然后向球磨罐中加入5g粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛，5g增塑劑，增塑劑為丙三醇和鄰苯二甲酸二辛酯按體積比1:1混合和4g消泡劑，消泡劑為正丁醇和乙二醇按體積比1:1混合；繼續(xù)球磨12個(gè)小時(shí)，得到分散均勻、適于流延的Si3N4漿料。對漿料進(jìn)行流延，得到厚度為0.4mm，Si3N4體積分?jǐn)?shù)為40%的薄層。將薄層剪裁成40mmX40mm的尺寸，每4層疊層熱壓至厚度為1_，得到Si3N4體積分?jǐn)?shù)為60%的多孔預(yù)制體。將預(yù)制體置于石墨坩禍中，在預(yù)制體上下表面鋪上高純娃粉，在絕對壓力位lOOOPa的高溫真空爐中進(jìn)行液娃滲透，滲娃溫度為1500°C，保溫2h。將液硅滲透后得到的Si3N4/Si進(jìn)行簡單的打磨即可除去表面的殘余硅，隨后在氮化爐中氮化燒結(jié)，氮化溫度為1200°C?1500°C，得到致密的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷。材料的彎曲強(qiáng)度為300MPa，熱導(dǎo)率為80W.m 1.K、
[0029]實(shí)例2:選擇直徑約為1 μ m、長徑比約為5的β _Si3N4柱狀晶，在1800°C，0.3MPaN2氣氛下熱處理2個(gè)小時(shí)，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的HF酸對熱處理后的Si3N4粉進(jìn)行酸洗6個(gè)小時(shí)，烘干備用。稱取50g處理后的Si3N4粉，加入50g溶劑，溶劑為無水乙醇和丁酮按體積比1:1混合，4g分散劑磷酸三乙酯，放入尼龍球磨罐中，加入氮化硅磨球，在滾筒式球磨機(jī)上球磨12小時(shí)。然后向球磨罐中加入5g粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛，5g增塑劑，增塑劑為丙三醇和鄰苯二甲酸二辛酯按體積比1:1混合和4g消泡劑，消泡劑為正丁醇和乙二醇按體積比1:1混合，繼續(xù)球磨12個(gè)小時(shí)，得到分散均勾、適于流延的Si3N4楽料。對楽料進(jìn)行流延，得到厚度為0.3mm, Si3N4體積分?jǐn)?shù)為45%的薄層。將薄層剪裁成40mmX40mm的尺寸，每5層疊層熱壓至厚度為1_，得到Si3N4體積分?jǐn)?shù)為65%的多孔預(yù)制體。將預(yù)制體置于石墨坩禍中，在預(yù)制體上下表面鋪上高純硅粉，在絕對壓力位lOOOPa的高溫真空爐中進(jìn)行液硅滲透，滲硅溫度為1500°C，保溫2h。將液硅滲透后得到的Si3N4/Si進(jìn)行簡單的打磨即可除去表面的殘余硅，隨后在氮化爐中氮化燒結(jié)，氮化溫度為1200°C?1500°C，得到致密的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷。材料的彎曲強(qiáng)度為400MPa，熱導(dǎo)率為90W.m 1.K ^進(jìn)一步對氮化硅陶瓷進(jìn)行退火工藝:將氮化硅陶瓷置于1800°C，0.5MPa N2氣氛中保溫4h，可以是氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率上升至105W.m 1.K
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于步驟如下: 步驟1、Si3N4粉體的預(yù)處理:將Si 3N4粉于1700?1900°C，氮?dú)鈿夥罩袩崽幚恚缓笥肏F酸進(jìn)行酸洗； 步驟2、制備Si3N4粉預(yù)制體:將處理后的Si 3N4粉與溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑和消泡劑混合球磨，得到Si3N4楽料；對楽料進(jìn)行流延成型厚度為0.1?0.5mm的Si 3N4流延薄層；對薄層進(jìn)行剪裁和疊層，得到坯體相對密度為30?60%的Si3N4粉預(yù)制體；所述漿料中Si3N4粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30?60% ;所述溶劑為無水乙醇和丁酮按體積比1:1混合；所述溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30?50% ;所述分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2?4% ;所述粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2?4% ;所述消泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2?4% ; 步驟3、液硅滲透:將Si3N4粉預(yù)制體包埋在高純硅粉中，置于真空爐內(nèi)，在1450?1650°C的溫度下進(jìn)行液硅滲透，得到致密的Si3N4/Si ; 步驟4、氮化燒結(jié):將Si3N4/Si置于氮化爐中，在1200?1600°C的溫度下，氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行氮化燒結(jié)，得到致密的氮化硅陶瓷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于:所述球磨是置于滾筒式球磨機(jī)中球磨12?24h。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于:所述分散劑為磷酸三乙酯。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于:所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于:所述增塑劑為丙三醇和鄰苯二甲酸二辛酯按體積比1:1混合。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于:所述消泡劑為正丁醇和乙二醇按體積比1:1混合。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于:所述的Si3N4粉粒徑為0.3?10 μ m。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于:所述的高純Si粉純度不低于99.9%。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于:所述的Si3N4粉預(yù)制體厚度為0.5?5mm。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備方法，首先對Si3N4粉進(jìn)行熱處理和酸洗處理，然后配制Si3N4漿料，用流延工藝制備Si3N4薄層，對薄層切割疊層后得到多孔的氮化硅粉預(yù)制體。然后采用高純硅粉對預(yù)制體進(jìn)行液硅滲透，得到致密的Si3N4/Si。在氮化爐中對Si3N4/Si進(jìn)行氮化處理，使材料中的Si發(fā)生氮化反應(yīng)生成Si3N4。與制備高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷常用的工藝如等靜壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等相比，本發(fā)明采用流延法結(jié)合液硅滲透成型，氮化燒結(jié)工藝，不需或僅需少量機(jī)械加工，制備溫度低，且不需要添加燒結(jié)助劑，避免了晶界相對于材料熱導(dǎo)率的影響。所制備的氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率可達(dá)80～120Wm-1K-1。
【IPC分類】C04B35/584, C04B35/65
【公開號(hào)】CN105254306
【申請?zhí)枴緾N201510640611
【發(fā)明人】成來飛, 李明星, 張立同
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年9月30日