氮化硅粉体特性对氮化硅陶瓷基板制备工艺及其性能的影响

摘要

氮化硅具有高热导率、低热阻、高抗弯强度、高断裂韧性、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等一系列优异的物理特性，因此，其正逐渐成为宽禁带大功率半导体器件首选的基板材料。对于高性能氮化硅陶瓷而言，粉体的特性对其成型工艺、烧结工艺及最后的性能都有着重大的影响。本文针对性地选取了二酰亚胺合成法制备的氮化硅粉体（UBE，E-10，简称USN粉体）和硅粉直接氮化法制备的氮化硅粉体(VES TAS i，P95H，简称VSN)作为原料，依据表面化学性质、粉体形貌、粉体粒度分布及成本等方面的区别，研究了其对氮化硅基板制备工艺和性能的影响。
　　首先,研究蓖麻油（简称CO）和三油酸甘油酯（简称GTO）分别与氮化硅粉体（VSN粉体-与USN粉体）的相互作用及分散效果，傅里叶变换红外光谱研究结果表明CO和GTO在氮化硅粉体上的吸附作用略有差异，但两种分散剂均能有效的吸附在氮化硅粉体上。沉降实验研究结果表明，从分散剂的角度而言，CO的加入更有利于两种氮化硅粉体的有效分散，且最佳添加量为5wt％，从粉体的角度而言，CO对于USN粉体的分散作用更明显。
　　其次，研究USN和 VSN粉体比例对流延浆料的流变特性、并采用合适的流延成型工艺，制备出系列化且具有一定强度和韧性的氮化硅流延生坯，研究粉体比例对流延生坯的力学性能，显微组织及排胶工艺的影响。研究结果表明，经过两次球磨处理后的氮化硅流延浆料初始粘度及氮化硅生坯的抗拉强度随着USN粉体含量的降低而逐渐升高。通过对氮化硅流延生坯DSC的分析，制定了适合于该氮化硅有机体系的排胶工艺；获得表面平整、无裂纹、边缘无翘曲的氮化硅素坯。
　　最后，研究VSN和 USN粉体比例的变化与烧结工艺对氮化硅陶瓷结构和性能的影响，分别采用热压烧结方式和气压烧结方式制备氮化硅陶瓷，并且采用低成本的常压烧结工艺制备氮化硅陶瓷基板。研究结果表明，采用热压烧结和气压烧结，均可获得致密度高于98%的陶瓷样品；当原料含有VSN粉体时，由于VSN粉体的氧含量较高，在样品中可检测到 Gd4.67Si3O13和 Mg2SiO4等杂相，并且，杂相含量随着 VSN粉体含量的增加而增加。而从显微形貌方面而言，随VSN粉含量的增多，晶粒尺寸明显减小。同样，力学性能也随着VSN含量的增加，而出现不同幅度的降低。当采用常压烧结的方式制备氮化硅陶瓷基板，埋粉工艺可以有效的避免第二相的形成；但由于常压烧结的驱动力较低，样品相对密度较低，介于80%到90%之间；样品的热导率随着VSN含量的增加而小幅度下降。

目录

第一章 绪论

1.1 氮化硅陶瓷的应用背景

1.2 氮化硅陶瓷基板概述

1.3 研究意义与研究内容

第二章 分散剂的吸附作用及分散效果研究

2. 1 引言

2.2 实验过程

2.3 实验结果分析与讨论

2.4 沉降实验结果分析

2.5 本章小结

第三章 氮化硅陶瓷基板流延生坯的研究

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 氮化硅烧结工艺研究

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 氮化硅热压烧结

4.4 氮化硅气压烧结

4.5 氮化硅陶瓷基板的常压烧结

4.6 本章小结

5 结 论

参考文献

攻读硕士期间的成果

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