[发明专利]一种高导热氮化硅陶瓷基片材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种高导热氮化硅陶瓷基片材料的制备方法，包括：以氮化硅粉体或/和硅粉作为原料粉体，和烧结助剂混合后，得到混合粉体；将混合粉体和粘结剂混合后造粒，再经压制成型，得到素坯；将所得素坯经脱粘、烧结后，再切割成规定厚度，得到所述氮化硅陶瓷基片材料。

技术领域

本发明涉及一种氮化硅陶瓷基片材料的制备方法，属于陶瓷的制备工艺和应用领域。

背景技术

高导热氮化硅陶瓷基板是保证大功率电力电子器件安全运行的关键热管理材料。电力电子器件是电力设备中电能变换和控制的核心单元，应用领域涵盖了能源、交通、基础工业等各个领域。常用的电力电子器件包括IGBT、逆变器等。我国已成为全球最大的电力电子器件需求市场，2013年市场总额近2000亿元人民币，2020预计达5000亿元人民币，年增长率近20％。相应对陶瓷基片的需求也十分巨大。据估计，仅电动汽车一项，对陶瓷基片的需求将达60亿元人民币。

大功率化、高频化、集成化是电力电子器件的发展方向。其功率可达KW级乃至数十GW以上。由于能量密度高，发热严重，导致工作温度不断上升，严重影响器件的工作稳定性和寿命。散热问题已经成为亟待解决的关键。目前常用的氧化铝和氮化铝基片材料，氧化铝因热导率低，无法有效散热；而氮化铝陶瓷虽然热导率较高，但是因力学性能差，在使用中很容易因热冲击而引起开裂。氮化硅陶瓷兼具高导热、高可靠性的优势，是目前唯一的候选材料。

氮化硅陶瓷是一种传统的结构陶瓷材料。具有高强、高韧、高温性能优异的优势，一直以来，在工业和民用领域有大量应用。近年来，氮化硅陶瓷的高导热性能和良好的微波透过性能也引起国内外的关注，结合其良好的力学性能和高温性能，是理想的大功率电力电子用陶瓷基片材料。但是，为了有效传递热量，氮化硅陶瓷基片的厚度通常只有0.32mm，因此常用的方法是流延成型结合气压烧结。

但是，流延成型所添加原料多，工艺复杂，周期长，成本较高。而且采用流延成型工艺制备的基片，往往需要高温压平处理，由于基片材料堆叠层数有限，每次装载的氮化硅基片也非常有限，最终导致制备成本增加。

发明内容

针对传统流延成型工艺制备氮化硅陶瓷基片材料存在的问题，提出采用块体切割的新方案，主要有两种途径：一种是先制备出块体氮化硅陶瓷素坯、在烧结之前切割，然后再烧结；另一种是在烧结之后进行切割制备氮化硅陶瓷基片。

一方面，本发明还提供了一种高导热氮化硅陶瓷基片材料的制备方法，包括：

以氮化硅粉体或/和硅粉作为原料粉体，和烧结助剂混合后，得到混合粉体；

将混合粉体和粘结剂混合后造粒，再经压制成型，得到素坯；

当原料粉体仅为氮化硅粉体时，将所得素坯经脱粘、素烧处理后，切割成规定厚度，再进行烧结，得到所述氮化硅陶瓷基片材料，所述素烧处理的温度为1200～1600℃、时间为1～12小时；

或者当原料粉体含有硅粉时，将所得素坯经脱粘、氮化处理后，切割成规定厚度，再进行烧结，得到所述氮化硅陶瓷基片材料，所述氮化处理的气氛为氮气、温度为1380～1500℃、时间为2～48小时；

或者将所得素坯经脱粘、烧结后，再切割成规定厚度，得到所述氮化硅陶瓷基片材料。

较佳地，所述烧结助剂为氧化镁、氧化钛、Y₂O₃、镧系稀土氧化物中的至少两种；所述原料粉体和烧结助剂的质量比为(80～97)：(20～3)，当原料粉体含有硅粉体(硅粉)时，所述硅粉的质量按照换算成氮化硅粉体后的质量计算。

又，较佳地，当所述烧结助剂包括氧化钛、Y₂O₃、镧系稀土氧化物中的至少一种、以及氧化镁；所述氧化钛、Y₂O₃、镧系稀土氧化物中的至少一种的摩尔含量和氧化镁的摩尔含量的比为(2～5)：5。