一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法及设备与流程

本发明主要涉及碳化硅陶瓷，具体涉及一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法及设备。

背景技术：

1、随着电子器件朝着高温、高频、低功耗以及智能化、模块化、系统 化方向发展，电子器件的发热量也在迅速增加，这对整个电子器件的散 热提出了严峻的挑战，也使得电子器件的散热问题成为电子信息产业发 展面临的技术瓶颈之一。电子封装基板是芯片对外散热的直接热传输通道，能够吸收芯片产生的热量，并实现与外界的热交换，其导热能力决定了封装体的最终散热能力，因此制备高热导率基板材料成为研发大功率模块电子产品的关键所在。

2、对于大功率电子器件，封装基板材料的选择将直接影响芯片的散热 能力，进而影响整个电子器件的稳定性和可靠性。如若材料选择不当，则会直接导致电子器件失效加速，进而影响其使用寿命，因此选择合适 的基板材料显得尤为重要。采用大功率电子器件散热基板材料时必须考 虑到以下性能：良好的热导率和稳定性、足够的机械强度、较低的密度以及很好的匹配芯片的热膨胀系数的能力。目前的主流陶瓷基板材料包括al2o3，ain，beo和sic等，其中 al2o3陶瓷使用最广，但其热导率只有24 w/(m·k)，相比于其他陶瓷基板通常较低，因此 al2o3 陶瓷的发展便受到了限制；相比于 al2o3，ain基板的绝缘性能更好，热导率更高(理论上可达320 w/(m·k))，耐高温和腐蚀，并且其热膨胀系数与硅更加匹配，但aln易水解，烧结时只能采用非水系溶剂，且优质ain粉体的合成成本高，基板金属化困难，因而其开发应用受到限制；beo陶瓷具有高热导率、高强度和绝缘性等特性，但是beo有剧毒，其通常只用于军用，而 sic陶瓷用作大功率电子器件封装基板，具有热导率高、强度高、密度低、热膨胀系数与 si相近等优势，从而成为理想的陶瓷基板材料。

3、然而碳化硅陶瓷同样有着其自身的缺点，由于sic 是高共价键化合物 ，c-si 共价键的含量接近88%,平均键能为300kj/mol，并且其晶格内的缺陷很少，这就导致了在烧结过程中si和c在sic晶界中的扩散速率很低，烧结温度高达2000℃以上，使其制备成本明显增加，限制了sic陶瓷的进一步发展。另一方面，尽管碳化硅的理论传热效率很高 (490w/(m·k))，然而由于微观结构、内部缺陷等影响，碳化硅陶瓷的实际热导率一般达不到这个数值，在此基础上，有必要开发新型高性能低成本碳化硅陶瓷基板复合材料，促进碳化硅陶瓷材料的发展和应用，以满足微电子、半导体等行业发展的需要。

技术实现思路

1、1.发明要解决的技术问题：

2、本发明的提供了一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法及设备，用以解决上述背景技术中存在的技术问题。

3、2.技术方案：

4、为了实现解决技术问题，本发明提供的技术方案：

5、一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，包括以下步骤，

6、步骤一、将碳化硅、稀土氧化物、粘土、氧化铝、碳酸钡和滑石粉进行混合，制得浆料；

7、步骤二、向步骤一制得的浆料中加入金刚石颗粒进行混合，制得待烧结胚体；

8、步骤三、将待烧结坯体进行压制，制得毛坯；

9、步骤四、将毛胚置于烧结炉中进行一次烧结，制得初制体；

10、步骤五、将初制体置于烧结炉中进行二次烧结，冷却成型后，制得高性能碳化硅陶瓷基板复合材料。

11、进一步的，所述步骤一中还包括溶剂水。

12、进一步的，各组分的占比如下：50-70重量份的碳化硅、1-5重量份稀土氧化物、2-6重量份粘土、2-6重量份氧化铝、4-8重量份碳酸钡、3-5重量份滑石粉和25-35重量份金刚石颗粒。

13、进一步的，步骤四中一次烧结温度为800-1000℃，烧结时间为3-5h。

14、进一步的，步骤五中二次烧结温度为1000-1200℃，烧结时间为5-8h。

15、进一步的，所述碳化硅的粒径为1-5μm。

16、进一步的，所述金刚石颗粒的粒径为2-5μm。

17、进一步的，所述稀土氧化物为sc2o3。

18、本发明还公开了一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工设备，用于执行上述一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法。

19、3.有益效果：

20、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

21、加入金属氧化物可以利用共晶反应形成一定数量的液相以促进烧结，但普通的金属氧化物会使得金属离子进入晶格，产生额外的 si空位，从而加剧声子散射作用，降低陶瓷的热导率，而加入稀土氧化物不仅能够促进 sic陶瓷的烧结，同时还能对sic陶瓷的热导率有一定的提升作用，其原因在于稀土氧化物能够与sic颗粒表面的 sio2反应，降低陶瓷内部的氧含量，减小声子散射，从而提高了sic陶瓷的导热速率，为降低烧结温度，减少成本，采用sc2o3作为烧结助剂；

22、对于非金属晶体，提高材料导热性能的关键在于增大声子平均自由程，金刚石作为一种碳同素异形体，碳-碳以强共价键结合，非谐振动效应较弱，声子散射的概率较低，具有超高的热导率(2000~2200w/(m·k)，通过在原料粉体中混合金刚石颗粒，进一步提升基板材料的热导率；

23、合理的高温热处理可促进碳化硅晶体长大，提高结晶度，减少晶体缺陷带来的声子散射，从而提高复合材料的热导率，然而，如果热处理温度过高，复合材料界面区域增大，尤其是碳化硅与含无定形碳的界面区域发生石墨化转变，将增大界面热阻，降低复合材料导热率。

技术特征：

1.一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，其特征在于，所述步骤一中还包括溶剂水。

3.根据权利要求1所述的一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，其特征在于，各组分的占比如下：50-70重量份的碳化硅、1-5重量份稀土氧化物、2-6重量份粘土、2-6重量份氧化铝、4-8重量份碳酸钡、3-5重量份滑石粉和25-35重量份金刚石颗粒。

4.根据权利要求1所述的一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，其特征在于，步骤四中一次烧结温度为800-1000℃，烧结时间为3-5h。

5.根据权利要求1所述的一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，其特征在于，步骤五中二次烧结温度为1000-1200℃，烧结时间为5-8h。

6.根据权利要求1所述的一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，其特征在于，所述碳化硅的粒径为1-5μm。

7.根据权利要求1所述的一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，其特征在于，所述金刚石颗粒的粒径为2-5μm。

8.根据权利要求1所述的一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，其特征在于，所述稀土氧化物为sc2o3。

9.一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工设备，其特征在于，包括包括混合器和烧结炉，用于执行权利要求1所述的一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法。

技术总结本发明提供了一种高性能碳化硅陶瓷基板复合材料的加工方法，包括以下步骤：将碳化硅、稀土氧化物、粘土、氧化铝、碳酸钡和滑石粉进行混合，制得浆料；向步骤一制得的浆料中加入金刚石颗粒进行混合，制得待烧结胚体；将待烧结坯体进行压制，制得毛坯；将毛胚置于烧结炉中进行一次烧结，制得初制体；将初制体置于烧结炉中进行二次烧结，冷却成型后，制得高性能碳化硅陶瓷基板复合材料。本发明通过引入稀土氧化物提高了SiC陶瓷的导热速率，同时降低烧结温度，减少成本，通过引入金刚石颗粒，进一步提高SiC陶瓷的导热率，同时合理的高温热处理可促进碳化硅晶体长大，提高结晶度，减少晶体缺陷带来的声子散射，再次提高复合材料的导热率。技术研发人员：王茜,许成明,胡二营,袁芳,李秋英受保护的技术使用者：安徽东迅密封科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2