高热导Si_3N_4基复合材料的制备与性能研究

高热导Si_3N_4基复合材料的制备与性能研究伴随超大规模大功率集成电路的发展,器件的热耗散问题亟待解决,因而具
有高强度与高热导率的陶瓷材料已成为理想的电子器件封装材料。

由长棒状β
-Si₃N₄晶粒形成的特殊互锁微观结构,可使氮化硅陶瓷呈现出高强韧性与高热导率,其理论热导率可高达
200W·m^-1·K^-1,因而氮化硅作为电子封装的候选材料被广泛研究。

迄今为止,提高氮化硅陶瓷热导率的主要方法为在超过1850℃的高温下长
时间烧结,通过溶解-再沉淀机制获得纯净的大尺寸β
-Si₃N₄晶粒。

高热导率氮化硅的制备工艺复杂,超大尺寸β-Si₃N₄晶粒构成的较为粗大的微观结构不可避免
地降低了氮化硅陶瓷的力学性能,此外采用放电等离子烧结（SPS）等快速烧结工艺方法制备氮化硅陶瓷材料,囿于低α→β相变率,导致了材料力学性能与热性
能的降低。

针对上述问题,本文从以下三方面开展了相关的研究工作:以混合稀土氧化
物（CeO₂+Yb₂O₃）为烧结助剂,热压烧结（HP）制备了高致密度氮化硅陶瓷材料,通过调节CeO₂与
Yb₂O₃含量控制了晶界相组成与β
-Si₃N₄晶粒尺寸。

本文以
CeO₂+Yb₂O₃为烧结助剂热压制备
Si₃N₄试样的弯曲强度为
630.78MPa⁷86.30MPa;断裂韧性为
7.61MPa·m1/2⁸.89MPa·m1/2,Si₃N₄试样的断裂韧性随着平均晶粒直径的增加而升高。

当烧结助剂CeO₂的含量为7mol%
时,Si₃N₄陶瓷兼备较高的力学性能与热扩散率,其弯曲强度、断裂韧性与热导率分别为718.16MPa、8.29MPa·m1/2与
80.12W·m^-1·K^-1;烧结助剂为
5mol%CeO₂+2mol%Yb₂O₃的
Si₃N₄试样弯曲强度、断裂韧性以及热导率分别为766.09MPa、8.30MPa·m1/2与78.91 W·m^-1·K^-1。

在氮化硅SPS过程中,导电第二相Cu与Mo可有效促进α→β相变。

前者的作用机制为焦耳加热对溶解-再沉淀阶段的影响;后者为Mo与α
-Si₃N₄原位反应形成β-Si₃N₄晶种。

Cu对氮化硅α→β相变的促进作用随着含量增加而降低;与单一
Si₃N₄陶瓷材料相比（β:α比率为
52.6:47.4）,Cu/Si₃N₄复合材料具有明显较高的α→β转化率;Cu含量为3wt%时,氮化硅α→β相变率最高为84.3:15.7。

而Mo可将氮化硅α→β相变提升至完全,且Mo含量的变化对氮化硅的相变率没有影响。

SPS制备Si₃N₄过程中,α→β相变有效地促进了β-Si₃N₄晶粒的异常生长,Mo与α
-Si₃N₄原位反应形成了β
-Si₃N₄晶种,提高了α→β的相变,促进了长棒状β
-Si₃N₄晶粒的生长。

Si₃N₄试样中大尺寸长棒状β
-Si₃N₄晶粒数目随着Mo颗粒尺寸的减小而降低,随着添加的Mo粉纯度上升;且在SPS过程中,多阶烧结对提高β
-Si₃N₄晶粒尺寸作用明显,其主要原因为溶解-再沉淀过程的延长使得α→β相变完全,促进了β-Si₃N₄晶粒的各向异性生长。

添加6wt%的Mo,经二阶SPS烧结与多阶SPS烧结制备的
Si₃N₄试样,其弯曲强度分别为710.02MPa与683.27MPa;断裂韧性分别为8.29MPa·m1/2与7.94MPa·m1/2;热导率分别为
83.95W·m^-1·K^-1与
92.55W·m^-1·K^-1。

采用SPS工艺制备的Si₃N₄试样,其热导率均高于用8倍时间热压制备的Si₃N₄试样。