高热导率氮化硅散热基板材料的研究进展

针对越来越明显的大功率电子元器件的散热问题,主要综述了目前氮化硅陶瓷作为散热基板材料的研究进展。对影响氮化硅陶瓷热导率的因素、制备高热导率氮化硅陶瓷的方法、烧结助剂的选择、以及氮化硅陶瓷机械性能和介电性能等方面的最新研究进展作了详细论述,最后总结了高热导率氮化硅作为散热基板材料的发展趋势。     

高性能氮化硅陶瓷的制备与应用新进展

氮化硅陶瓷是一种具有巨大应用前景的结构陶瓷。其力学性能优异(抗弯强度、硬度较高),耐磨损、耐腐蚀,耐高温,而且理论热导率值较高,因此被广泛应用于现代工业与制造业之中。本文从原料、烧结助剂、烧结方法等方面论述了氮化硅陶瓷制备工艺,并在此基础上总结介绍了氮化硅陶瓷在陶瓷轴承以及高导热电子封装基板中的应用。     

AlN陶瓷烧结技术及性能优化研究进展

微电子技术的飞速发展对芯片基板和封装材料性能的要求越来越高.AlN陶瓷因其高热导率、高强度、线膨胀系数与硅接近、介电常数小、耐高温和耐腐蚀性能优异而被用作芯片基板和封装材料.主要从烧结技术和烧结助剂对AlN陶瓷性能影响方面综述了AlN陶瓷的研究进展,并指出了AlN陶瓷在制备及应用过程中存在的问题,展望了AlN陶瓷的发展...     

无压烧结高导热AlN陶瓷的研究进展

AlN以其优异的高热导率、与Si相匹配的热膨胀系数及其它优良的物理化学性能受到了国内外学术界的广泛关注,被誉为新一代高密度封装的首选基板材料.本文详细综述了AlN陶瓷的导热机理和无压烧结工艺等方面的研究进展,并介绍了烧结助剂的选取原则和AlN陶瓷热导率与温度的关系,以及展望了AlN基板的发展趋势和前景.     

电子封装用高导热AlN陶瓷基板研究进展

高导热AlN陶瓷是新型功率电子器件重要的基板材料,在5G通讯、微波TR组件、IGBT模块等高端电子器件领域具有广泛的应用。综述了国内外电子封装用高导热AlN陶瓷基板及其制备技术的研究进展。探讨了晶格氧、非晶层、AlN晶粒尺寸、晶界相及气孔等微结构因素对AlN陶瓷热导率的影响。提出选用高纯超细AlN粉体原料,合理选取烧结助剂的类型与添加量,优化排胶、高温烧结与热处理工艺是改善AlN陶瓷结构,实现AlN陶瓷热导率提升的有效途径。     

三元复合烧结助剂Er2O3-Mg2Si-Yb2O3对氮化硅陶瓷性能的影响

以Er₂O₃-Mg₂Si-Yb₂O₃为三元复合烧结助剂,制备了力学性能优异的高导热氮化硅陶瓷,研究了Er₂O₃-Mg₂Si-Yb₂O₃体系对氮化硅陶瓷致密化、微观结构、力学性能、热导率的影响。研究表明,当添加5%(质量分数,下同)Er₂O₃+2%Mg₂Si+4%Yb₂O₃烧结助剂时,烧结助剂对氮化硅陶瓷致密度与晶界相含量的平衡效果最佳,此时氮化硅陶瓷具有最佳性能:抗弯强度为765 MPa,断裂韧性为7.2 MPa·m^1/2,热导率为67 W/(m·K)。在烧结过程中,只添加5%Er₂O₃+2%Mg₂Si的烧结助剂产生的液相量少且黏度高,不能使氮化硅陶瓷完成致密化;此外,当添加的Yb₂O₃含量超过4%时,烧结助剂产生大量的晶界相,降低了氮化硅陶瓷的性能。     

高性能共价键陶瓷在烧结工艺上的进展

在共价键非氧化物陶瓷中，氮化硅、碳化硅和氧化铝作为结构材料的重要性日益增强。通过控制粉末特性、烧结助剂和烧结条件，可获得优异的性能。如高强度，高断裂韧性和高热导率。在液相存在下的烧结有可能使这些材料在较低温度下达到较高的密度，并在力学和热学性能上有所改进。     

β-Si3N4陶瓷热导率的研究现状

β-Si3N4陶瓷具有较高的热导率(200～320 W·m-1·K-1),在高速电路和大功率器件散热及封装材料等领域展现了良好的应用前景,并引起广泛关注.基于氮化硅陶瓷导热机理,本文阐述了影响β-Si3 N4陶瓷热导率的因素,并从原料的选取、烧结助剂的选择、晶种的引入和工艺控制四个方面,介绍了国内外提高其热导率的研究进展.     

氮化硅陶瓷覆铜基板制备及可靠性评估

氮化硅陶瓷覆铜基板优异的高可靠性使其成为高铁、电动汽车等领域功率模块最有前途的基板材料之一,目前只有日本厂商具备量产能力,国内进口困难,阻碍了相关产业的发展.采用气压烧结实现了高性能氮化硅陶瓷基板的制备,并通过活性金属钎焊工艺获得了氮化硅陶瓷覆铜基板.氮化硅陶瓷的弯曲强度800 MPa,断裂韧性8.0 MPa·m1/2,热导率90 W/(m·K),交流击穿强度40 kV/mm和体积电阻率3.7×1014Ω·cm;氮化硅陶瓷覆铜基板的剥离强度达到130 N/cm.在-45～150℃高低温循环冲击下,氮化硅陶瓷覆铜基板的冲击次数分别达到氮化铝和氧化铝覆铜基板的10倍和100倍;在铜厚0.32 mm/0.25 mm冲击次数达5000次和铜厚0.5 mm/0.5 mm冲击次数达1000次的情况下,样品均完好无损;在铜厚0.8 mm/0.8 mm冲击次数达500次时,样品仍未产生微裂纹等缺陷,这与铜厚0.32 mm/0.25 mm时氮化铝覆铜基板的循环次数相当;氮化硅陶瓷覆铜基板的可靠性明显优于现有产品.     

烧结助剂对氮化硅陶瓷显微结构和性能的影响

氮化硅中氮原子和硅原子的自扩散系数很低，致密化所必需的扩散速度和烧结驱动力都很小，在烧结过程中需采用烧结助剂。烧结助剂是影响氮化硅陶瓷的显微结构和性能的关键因素之一。有效的烧结助剂不但可以改善氮化硅陶瓷的显微结构，而且可以提高氮化硅陶瓷的高温性能和抗氧化性能。     

烧结助剂及增强相对氮化硅陶瓷材料性能的影响

氮化硅陶瓷基复合材料由于其优异的性能广泛运用于市场各领域。本文概述了制备氮化硅陶瓷基复合材料常用的几种烧结助剂和增强相,综述了烧结助剂对材料烧结过程的影响以及几种常用增强相的研究现状及增韧机理,最后对氮化硅陶瓷基复合材料未来的发展趋势和研究方向进行了总结与展望。     

MgSiN_2固相合成的研究进展

MgSiN_2由于具有和AlN相似的晶体结构,引起了人们的广泛关注。它具有高硬度、高电子阻抗、高热导率、低介电常数、相对较好的断裂韧性、良好的抗热震性能、高达920℃以上的抗氧化性等性能。在各个领域尤其是在电子、国防、宇航领域有着较好的应用,在制备高密度集成电路基板材料、封装材料、高热导非氧化物陶瓷、β-Si_3N_4棒晶、发光材料等方面都有着巨大的应用前景。概述了MgSiN_2粉末与陶瓷烧结体制备的研究进展及其在其他方面的应用,并对MgSiN_2的未来发展进行了展望。     

氮化硅陶瓷的热等静压处理与抗热震性能研究

以氮化硅喷雾造粒粉为原料,通过高温常压烧结及热等静压处理烧坯两种制备方法获得的氮化硅陶瓷材料,进行了陶瓷显微组织结构、热导率与抗热震性能研究.结果表明热等静压处理能够消除烧结体的残余孔隙,有利于提高陶瓷的强度、热导率和抗热震性能.     

β-氮化硅陶瓷烧结致密化的研究

以β-Si3N4粉末为原料,MgAl2O4为烧结助剂,通过气氛压力烧结(GPS)制备出致密的β-氮化硅陶瓷材料,探讨了β-氮化硅陶瓷烧结机制,系统研究了烧结助剂质量分数、烧结温度以及保温时间对材料致密化的影响.     

氮化硅陶瓷的无压烧结工艺优化及性能研究

以α-Si3 N4为原料,Y2 O3和MgO为复合烧结助剂,通过无压烧结制备出氮化硅陶瓷。为了优化实验配方和工艺参数,采用正交实验研究了成型压力、保压时间、保温时间、烧结温度、烧结助剂含量以及配比对氮化硅陶瓷气孔率和抗弯强度的影响规律。结果表明,影响氮化硅陶瓷气孔率的主要因素是烧结助剂含量和配比,而影响其抗弯强度的主要因素是烧结助剂配比和烧结温度。经分析得出,最佳工艺参数为成型压力16 MPa,保压时间120 s,保温时间2 h,烧结温度1750℃,烧结助剂含量12wt％,烧结助剂配比1∶1;经最佳工艺烧结后的氮化硅陶瓷,相对密度为94．53％,气孔率为1．09％,抗弯强度为410．73 MPa。     

自增韧氮化硅陶瓷的制备与性能研究

氮化硅陶瓷具有优异的物理机械性能和化学性能,被广泛应用于高温、化工、冶金、航空航天等领域。在结构陶瓷中氮化硅陶瓷虽具有相对较高的断裂韧性,但为了进一步拓宽氮化硅陶瓷的运用领域和提高其使用可靠性,改善其断裂韧性一直是该材料研究的重要课题。笔者通过利用氮化硅陶瓷的自增韧技术,使用复合烧结助剂和在氮化硅基体中添加长柱状β-Si_3N_4晶种,制备高断裂韧性的氮化硅陶瓷。采用X射线衍射、扫描电镜、阿基米德法、三点抗弯曲强度、单边切口梁法等测试方法对陶瓷的组成、显微结构、显气孔率以及抗弯强度和断裂韧性等进行了分析与表征。首先研究了无压烧结制备氮化硅陶瓷过程中,烧结助剂(Y_2O_3和Al_2O_3)对其烧结性能和力学性能的影响,当Y_2O_3含量为8wt%,Al_2O_3含量为4wt%时,氮化硅陶瓷的相对密度达95%以上,抗弯强度为674 MPa,断裂韧性为6.34 MPa·m~(1/2)。再通过引入La_2O_3提高氮化硅晶粒的长径比,使氮化硅陶瓷的抗弯强度和断裂韧性达到686 MPa和7.42 MPa·m~(1/2)。笔者通过无压烧结工艺,在1 750℃制备了长柱状的β-Si_3N_4晶种,晶种的平均长度为2.82μm,平均粒径为0.6μm,平均长径比为4.7,着重研究了晶种对氮化硅陶瓷烧结性能和力学性能的影响。氮化硅陶瓷中加入晶种后,其烧结性能和抗弯强度略有降低,但断裂韧性得到了很大的提高;且随着晶种添加量的增加,断裂韧性先升高再降低,掺杂量为2wt%时,断裂韧性达到最大(7.68 MPa·m~(1/2)),提高了20%以上。     

添加Mg-Al-Si体系烧结助剂的氮化硅陶瓷的无压烧结

以MgO-Al2O3-SiO2体系作为烧结助剂,研究了氮化硅陶瓷的无压烧结。着重考察了烧结温度、保温时间以及烧结助剂用量等工艺因素对氮化硅陶瓷材料力学性能和显微结构的影响,通过工艺调整来设计材料微观结构以提高材料的力学性能。在烧结助剂质量分数为3.2％的情况下,经1 780℃,3 h无压烧结,氮化硅大都呈现长柱状β-Si3N4晶粒,具有较大的长径比,显微结构均匀。样品的相对密度达99%,抗弯强度为956.8 MPa,硬度HRA为93,断裂韧性为6.1 MPa·m1/3。具有较大长径比晶粒构成的显微结构是该材料表现较高力学性能的原因。     

烧结助剂对多孔氮化硅陶瓷的力学性能及介电性能的影响

通过添加烧结助剂,采用常压烧结工艺制备出不同气孔率(19%～54%)的氮化硅陶瓷.采用Archimedes法、三点弯曲法和Vickers硬度测试法测量了材料的密度、气孔率、抗弯强度及硬度.用X射线衍射及扫描电镜检测了相组成和显微结构.用谐振腔法测试了氮化硅陶瓷在10.2 GHz的介电特性.结果表明:材料具有优良的介电性能.随着烧结助剂的减少,样品中气孔率增加,力学性能有所下降,介电常数和介电损耗降低.添加Lu2O3所制备的氮化硅陶瓷的力学性能和介电性能优于添加Eu2O3或Y2O3制备的氮化硅陶瓷.当气孔率高于50%时,多孔氮化硅陶瓷(添加入5%的Y2O3或Lu2O3,或Eu2O3,质量分数)的抗弯强度可达170 MPa,介电常数为3.0～3.2,介电损耗为0.000 6～0.002.     

氮化硅陶瓷材料微波烧结研究现状

氮化硅是一种具有优良性能的陶瓷材料,是一种理想的高温结构材料和高速切削刀具材料,近年来随着微波技术的发展,氮化硅的微波烧结越来越受关注。本文简述了氮化硅陶瓷材料传统烧结与微波烧结的研究现状;比较分析了各种烧结技术制备的氮化硅陶瓷的微观结构和力学性能,得出了微波烧结氮化硅陶瓷的优越性;最后提出氮化硅陶瓷微波烧结在未来研究中还需解决的问题。     

AlN陶瓷烧结技术研究进展

氮化铝(AlN)因其具有高热导率,作为基片材料在电子元器件中得到日益重视.本文主要论述了氮化铝陶瓷制备过程中各种烧结参数,包括烧结助剂、烧结气氛、保温时间、常压烧结、热压烧结、微波烧结和等离子烧结等对氮化铝陶瓷性能的影响.并指出可通过合适的AlN粉体制备技术,结合快速烧结方法可得到具有晶粒细小、结构均匀、高致密度和高导热率的AlN陶瓷.