编号：CYYJ04499
篇名： 基于非氧化物助剂的氮化硅陶瓷基板流延成型与性能研究
作者： 朱允瑞
关键词： 氮化硅陶瓷基板; 流延成型; 非氧化物烧结助剂; 热导率; 力学性能;
机构：哈尔滨工业大学
摘要： 氮化硅因其优异的本征热导率和力学性能在陶瓷封装领域极具发展潜力。然而受晶格氧等因素制约,实际热导率远低于其本征值。本论文从降低晶格氧含量角度出发,选用YH2、Zr Si2两种非氧化物作为烧结助剂,结合流延成型与气压烧结技术开展高性能氮化硅陶瓷基板的研究。 对于流延成型技术,浆料的稳定性与流延特性决定流延成型生坯质量。本论文以蓖麻油为分散剂,B-72为粘结剂,BBP与PEG-200为塑化剂,系统探究球磨速率、蓖麻油与粘结剂含量、R值变化对氮化硅陶瓷基板浆料性能的影响。研究表明,300 r/min球磨速率和2%蓖麻油含量下,浆料粘度最低且防沉降效果最佳;B-72含量在24%～26%时浆料成型效果良好,综合有机物用量考虑将B-72含量为24%;当R值为0.65时,氮化硅陶瓷生坯塑形与表面质量最优。 对于非氧化物影响氮化硅陶瓷基板的致密化机制,经研究发现YH2和Zr Si2的加入可有效清除氮化硅原粉表面Si O2,降低晶格氧含量,生成高N/O比液相。该液相在促进α-Si3N4晶型转变与晶粒发育的同时,因N/O逐渐增大导致液相量减少和粘度增大,结果表明过量添加YH2和Zr Si2反而会阻碍致密化进程。YH2体系在YH2为3 mol%时,相对密度最优,达96.91%;Zr Si2体系在Zr Si2为2 mol%时相对密度最高,达99.4%,整体致密化效果比YH2体系更优。在非氧化物对于氮化硅陶瓷基板的性能影响机理方面,提高致密度是提升氮化硅陶瓷基板性能的关键。当相对密度达到峰值时,YH2和Zr Si2体系基板的热导率、断裂韧性和硬度均达最高值。Zr Si2体系因高致密度和可憎韧Zr O2二次相的存在,热导率和力学性能表现更优。其中当Zr Si2添加量为2 mol%时,氮化硅陶瓷基板热导率、抗弯强度与断裂韧性表现最优,分别为73.34±1.2 W/（m·K）、655.2±8MPa、6.20±0.59 MPa·m1/2。此外,通过对晶粒尺寸、相对密度对断裂韧性、热导率及抗弯强度的影响规律进行分析发现,热导率与断裂韧性受晶粒尺寸的影响较为显著。因此Y4M3（YH2=4 mol%,Mg O=3 mol%）热导率与断裂韧性优于Y1M6（YH2=1 mol%,Mg O=6 mol%）,Z4M3（Zr Si2=4 mol%,Mg O=3 mol%）与Z3M4（Zr Si2=3 mol%,Mg O=4 mol%）热导率与断裂韧性优于Z1M6（Zr Si2=1 mol%,Mg O=6 mol%）。而当氮化硅陶瓷基板样品内出现异常长大的β-Si3N4晶粒时,抗弯强度会逐渐减小。其中,Zr Si2体系Z2M5（Zr Si2=2 mol%,Mg O=5 mol%）样品在本研究中抗弯强度最优,为655.2±8 MPa。