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让导热氮化硅陶瓷更导热的手段
2019年09月12日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:362
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β-Si3N4陶瓷具有潜在的高热导率(200~320W·m-1·K-1),在微波透过材料和高功率微电子封装材料等领域展现了良好的应用前景但要制备一块导热及机械能力都满足要求的氮化硅基板是不易的。影响其热导率的因素主要为晶界相物相及其含量晶格内缺陷晶粒尺寸以及微观结构的各向异性等

 

氮化硅基片(图片来源:StellarIndustriesCorp)

当前,氮化硅陶瓷基板虽然性能比较强悍,也很符合当前电子信息科技的高功率化发展需求,但限于制备成本高昂及工艺难其应用也是有所限制。下文将围绕氮化硅陶瓷基板材料制备工艺过程中最重视的热导率及其影响因素最个小小的总结。

1、选取合适的原料很重要

氮化硅陶瓷两种晶型:α-Si3N4β-Si3N4许多研究工作表明氮化硅陶瓷中β相含量在40-100%范围内逐渐增大时,氮化硅陶瓷热导率也呈线性增加,故高纯的β相是获得高导热氮化硅陶瓷的关键因素在原料的选取上,α-Si3N4β-Si3N4粉都可作为制备氮化硅陶瓷的原料

 

在高温状态下,β-Si3N4热力学上更稳定,α-Si3N4会发生相变,转为β-Si3N4。以α-Si3N4粉末作为原料,烧结过程中通过溶解沉淀机制促进αβ相变,其烧结驱动力较高,可制取细晶、长柱型β相含量高的氮化硅陶瓷产品,从而有利于氮化硅陶瓷的韧性提升但需采用适当的手段控制颗粒的异常生长,以避免气孔、裂纹、位错缺陷的出现对制品力学性能造成的影响。

而采用β-Si3N4粉末为原料可获得纯β相氮化硅陶瓷,但其烧结过程中无相变,驱动力较小,烧结相对较为困难,且由于Si3N41800℃以上易发生分解,为保证烧结致密,多采用气压烧结,以提高烧结驱动力及其分解温度,故生产成本提高较高

 

2、烧结助剂的选择

由于Si3N4是强共价化合物,扩散系数小,致密化所须的体积扩散速度较小,烧结较为困难,故一般在烧结过程中需添加一定量的烧结助剂与Si3N4粉体表面的SiO2反应形成液相,通过溶解-析出机制使其致密但氧化物烧结助剂的引入还会导致Si3N4晶格氧含量的提高,另外某些烧结助剂会固溶入Si3N4晶格形成固溶体,从而影响氮化硅陶瓷热导率的提高

目前对制备高导热氮化硅选取烧结助剂的研究,多针对于Al2O3MgO、MgSiN2以及稀土氧化物(RE2O3RE包括ScY以及镧系元素(Ln))等,其选择多基于控制液相粘度,提高相转变,防止固溶体的形成,降低晶格氧含量以及控制玻璃相组成和含量等几方面

3、引入β-Si3N4晶种

Si3N4原料中引入尺寸较大的β-Si3N4晶种,可促进烧结过程中细小颗粒迅速溶解沉淀于β-Si3N4晶种上,提高晶粒生长的驱动力,促进β-Si3N4晶粒的生长,而晶粒的生长有利于晶界相逐渐排挤进入多晶交界处,减少晶界相在晶格中分布,从而提高热导率

另外,晶粒的生长过程中伴随着不断的溶解-沉淀过程,在该过程中多数杂质缺陷亦可排除,可起到晶格的净化作用,这也是热导率得以提高的重要因素在许多研究工作中都显现了这个效果“与未添加晶种的氮化硅陶瓷相比,大尺寸晶粒明显增多,说明晶种的引入促进了β-Si3N4晶粒的生长,从而引起了热导率的提高”。

4、烧结及退火参数控制

许多研究工作均表明这样的规律:在一定温度范围内,随着烧结温度的提高,晶粒尺寸也增大,发育越加完善。在较高的温度下退火可进一步增大晶粒尺寸,促进晶粒发育。延长烧结保温时间同样可以促进Si3N4相转变以及晶粒的发育。

因此,适度提高烧结和退火温度,或延长烧结及退火时间都可使得氮化硅烧结中的溶解沉淀进程更为充分,促进氮化硅相转变以及晶粒的生长发育同时,也可使玻璃相发生析晶,降低玻璃相含量,这些都有助于热导率的提高。

5、成型工艺

研究认为采用适当的成型方式可有效的控制晶粒排列、生长的定向性,从而可制备出某单一方向上热导率较高的β-Si3N4陶瓷。而β-Si3N4a轴和c轴的理论热导率分别为170和450W/m•K,如何能让高导热的轴出现在材料应有想要的方向,那将是大有好处的。

许多研究表明,流延成型及热压成型利于Si3N4晶粒沿特定方向发生定向排列和生长,对于获得某一特定方向上的高热导率是有效的。

更多详细内容请参考:

1、高导热氮化硅陶瓷制备的研究进展;南京工业大学材料科学与工程学院;徐鹏,杨建,丘泰等著。

粉体圈 作者:小白

 


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