1 1.中国科学院 理化技术研究所, 低温重点实验室, 北京 100190
2 2.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
随着以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体的崛起, 电力电子器件向高输出功率和高功率密度的方向快速发展, 对用于功率模块封装的陶瓷基板材料提出更高的性能要求。传统的Al2O3和AlN陶瓷由于热导率较低或力学性能较差, 均不能满足新一代功率模块封装的应用需求, 相较之下, 新发展的Si3N4陶瓷因兼具高强度和高热导率, 成为最具潜力的绝缘性散热基板材料。近年来, 研究人员通过筛选有效的烧结助剂体系, 并对烧结工艺进行优化, 在制备高强度高热导率Si3N4陶瓷方面取得一系列突破性进展。另外, 伴随覆铜Si3N4陶瓷基板工程应用的推进, 对其制成的基板的力、热和电学性能的评价也成为研究热点。本文从影响Si3N4陶瓷热导率的关键因素出发, 重点对通过烧结助剂的选择和烧结工艺的改进来提高Si3N4陶瓷热导率的国内外工作进行综述。此外, 首次系统总结并介绍了Si3N4陶瓷基板的介电击穿强度以及覆铜后性能评价研究的最新进展, 最后展望了高热导率Si3N4陶瓷基板的未来发展方向。
氮化硅 热导率 力学性能 烧结助剂 烧结工艺 综述 silicon nitride thermal conductivity mechanical property sintering additives sintering processes review
1 东华大学材料科学与工程学院，上海 201620
2 东华大学功能材料研究中心，上海 201620
冷烧结技术自引入以来已有多种陶瓷材料获得了成功制备，但作为重要结构陶瓷的氧化锆其冷烧结致密度仍然偏低。为了提高冷烧结氧化锆陶瓷的致密度，采用亚稳态的纳米晶氧化锆片状粉体进行了研究。首先利用氧化石墨烯为模板，以三(羟甲基)氨基甲烷为沉淀剂制备了含56%四方相的片状氧化锆。然后，从烧结助剂、温度、压力、液相掺量4个因素出发探索了对氧化锆致密度以及微观结构的影响。结果表明：在HCl作为烧结助剂、300 ℃、500 MPa、液相掺量为20% (质量分数)的冷烧结工艺条件下，实现了约70%的致密度，远高于目前冷烧结氧化锆致密度的报道值。致密度的提升主要得益于烧结中亚稳态氧化锆的相变以及助剂对片状粉体的颗粒重排和溶解-沉淀作用。此外，孔隙率的降低使得冷烧结氧化锆陶瓷的杨氏模量和抗弯强度分别达到了24 GPa和20 MPa。
氧化锆陶瓷 冷烧结 致密度 烧结助剂 相变 zirconia ceramics cold sintering relative density sintering additives phase transformation
1 1.中国科学院 理化技术研究所, 低温重点实验室, 北京 100190
2 2.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
Si3N4陶瓷因兼具优异的力学和热学性能, 成为第三代半导体陶瓷基板的首选材料之一。本研究以7种不同离子半径的稀土氧化物(RE2O3, RE=Sc、Lu、Yb、Y、Gd、Nd、La)与非氧化物(MgSiN2)作复合烧结助剂, 通过热压烧结和退火热处理制备了高强、高热导Si3N4陶瓷, 并系统研究了复合烧结助剂中RE2O3种类对Si3N4陶瓷物相组成、微结构、力学性能和热导率的影响规律。热压后Si3N4陶瓷力学性能优越, 其中添加Nd2O3-MgSiN2的样品弯曲强度达到(1115±49) MPa。退火处理后Si3N4陶瓷的热导率得到大幅提升, 呈现出随稀土离子半径减小而逐渐增大的规律, 其中添加Sc2O3-MgSiN2的样品退火后的热导率从54.7 W·m-1·K-1提升至80.7 W·m-1·K-1, 提升了47.6%。该结果表明, 相较于国际上通用的Y2O3-MgSiN2和Yb2O3-MgSiN2烧结助剂组合, Sc2O3-MgSiN2有望成为制备高强度、高热导Si3N4陶瓷的新型复合助剂。
氮化硅 复合烧结助剂 退火处理 热导率 silicon nitride composite sintering additives annealing thermal conductivity
