CN112898029A - 一种氮化硅基板原料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氮化硅基板原料制备方法。本发明提供的一种氮化硅基板原料制备方法，通过向氮化硅原粉中加入添加剂，所述添加剂为稀土类添加剂。将所述氮化硅原粉与所述添加剂充分融合，利用气氛压力烧结法对融合后的粉末进行燃烧，使所述添加剂在气氛压力烧结过程中释放，从而使得本发明的氮化硅基板原料所能制备出的氮化硅基板在满足超大尺寸、超薄厚度、高导热率等工艺要求的同时保证机械性能。

Description

一种氮化硅基板原料制备方法

技术领域

本发明涉及氮化硅基板原料制备技术领域，具体涉及一种氮化硅基板原料制备方法。

背景技术

氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，硬度大，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。目前国内只有少数院校及科研院所从事氮化硅基板原料相关研发及技术攻关，现有国内市场上的氮化硅粉在致密性和纯度的提升方面，很难有质的突破。因此，有必要提出一种氮化硅基板原料制备方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化硅基板原料制备方法，以解决现有国内市场上的氮化硅粉在致密性和纯度方面有待提升的问题。

本发明提供一种氮化硅基板原料制备方法，包括如下步骤：

步骤一、向氮化硅原粉中加入添加剂，所述添加剂为稀土类添加剂；

步骤二、将所述氮化硅原粉与所述添加剂充分融合；

步骤三、利用气氛压力烧结工艺对融合后的粉末进行燃烧，使所述添加剂在气氛压力烧结过程中释放。

进一步地，所述步骤三还包括：采用气相增强控温活化法，控制Si-N体系的最高燃烧反应温度，同时采用化学激励和机械活化手段来降低反应活化能。

进一步地，所述步骤三还包括：利用除尘***的引风负压以及旋风分离器，根据氮化硅粉末的粉体颗粒粒度设计，对粉块进行吸扫，消除搭桥，提高致密性。

进一步地，所述步骤一中，所述稀土类添加剂为氟化钇、三氟化镧、无水氟化镱、氟化铕、三氟化钐、三氟化铈或氟化钕中的一种或多种。

进一步地，所述步骤一中，还包括：向氮化硅原粉中加入金属氧化物，所述金属氧化物为为氧化铝、氧化镁、氧化锆或氧化钛中的一种或多种。

进一步地，所述步骤一中，还包括：向氮化硅原粉中加入粘结剂，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇或酚醛树脂。

进一步地，所述步骤一中，还包括：向氮化硅原粉中加入分散剂，所述分散剂为聚丙烯酸铵。

进一步地，所述步骤一中，还包括：向氮化硅原粉中加入消泡剂，所述消泡剂为磷酸三丁脂。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种氮化硅基板原料制备方法，通过向氮化硅原粉中加入添加剂，所述添加剂为稀土类添加剂。将所述氮化硅原粉与所述添加剂充分融合，利用气氛压力烧结法对融合后的粉末进行燃烧，使所述添加剂在气氛压力烧结过程中释放，从而使得本发明的氮化硅基板原料所能制备出的氮化硅基板在满足超大尺寸、超薄厚度、高导热率等工艺要求的同时保证机械性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的氮化硅基板原料制备方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种氮化硅基板原料制备方法，包括如下步骤：

步骤一、向氮化硅原粉中加入添加剂，所述添加剂为稀土类添加剂。

在本实施例中，所述步骤一中，所述稀土类添加剂为氟化钇、三氟化镧、无水氟化镱、氟化铕、三氟化钐、三氟化铈或氟化钕中的一种或多种。氟化钇是一种化学物质，常温下为灰白色粉末或结晶。三氟化镧为白色面心立方晶体，几乎不溶于水，但可溶在醇中，溶解规律同于稀土氯化物。氟化铕是一种灰色粉末，化学性质比较稳定；不溶于水，易溶于酸。氟化铕微纳米棒可以由含氟离子的化合物和含铕离子的氧化物在碱性条件下通过水热法合成制备。三氟化铈常用作高纯化学品、镀膜材料，标准状况下，三氟化铈不溶于水。氟化钕为白色略带***的粉末，不溶于水，也不溶于盐酸、硝酸和硫酸，但能溶于高氯酸，在空气中有吸湿性，较稳定。

以氟化钇、三氟化镧、无水氟化镱、氟化铕、三氟化钐、三氟化铈或氟化钕等稀土类添加剂为烧结助剂，可以避免助剂中的氧进入到氮化硅晶格中，减少了晶格氧对氮化硅陶瓷热导率的影响。制备得到的氮化硅陶瓷不仅具有较高的热导率，同时具有高机械强度、耐水性、抗氧化性等优点，成为电子封装领域具有巨大潜力的一种材料。

所述步骤一中，还可以包括：向氮化硅原粉中加入金属氧化物，所述金属氧化物为为氧化铝、氧化镁、氧化锆或氧化钛中的一种或多种。通过金属氧化物作为烧结助剂，这些烧结助剂在超过其低共熔点温度时与氮化硅表面微量的二氧化硅形成液相，颗粒通过在该液相中进行重排实现紧密堆积，冷却后液相转变为玻璃相留在烧结体中，烧结体中只有氮化硅相。

所述步骤一中，还可以包括：向氮化硅原粉中加入粘结剂，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇或酚醛树脂。聚乙烯醇是一种有机化合物，外观是白色片状、絮状或粉末状固体，无味。溶于水，微溶于二甲基亚砜，不溶于汽油、煤油、植物油、苯、甲苯、二氯乙烷、四氯化碳、丙酮、醋酸乙酯、甲醇、乙二醇等。聚乙烯醇是重要的化工原料，用于制造聚乙烯醇缩醛、耐汽油管道和维尼纶、织物处理剂、乳化剂、纸张涂层、粘合剂、胶水等。聚乙烯醇缩丁醛是由聚乙烯醇与丁醛在酸催化下缩合的产物。由于PVB分子含有较长支链,具有良好的柔顺性,玻璃化温度低,有很高的拉伸强度和抗冲击强度；PVB具有优良的透明度,良好的溶解性,很好的耐光、耐水、耐热、耐寒和成膜性；它含有的官能团可以进行乙酞基的皂化反应,经基的醋化、磺酸化等各种反应；与玻璃、金属(尤其是铝)等材料有很高的粘接力。因此,在制造夹层安全玻璃、粘合剂、陶瓷花纸、铝箔纸、电器材料、玻璃钢制品、织物处理剂等领域得到了广泛应用,成为一种不可或缺的合成树脂材料。聚乙二醇是一种高分子聚合物，无刺激性，味微苦，具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相溶性。具有优良的润滑性、保湿性、分散性、粘接剂，可作为抗静电剂及柔软剂等使用，在化妆品、制药、化纤、橡胶、塑料、造纸、油漆、电镀、农药、金属加工及食品加工等行业中均有着极为广泛的应用。酚醛树脂，又名电木，原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色，呈颗粒或粉末状。耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。由苯酚醛或其衍生物缩聚而得。

所述步骤一中，还可以包括：向氮化硅原粉中加入分散剂，所述分散剂为聚丙烯酸铵。向氮化硅原粉中加入消泡剂，所述消泡剂为磷酸三丁脂。聚丙烯酸铵为特种陶瓷分散剂使用，固体为白色粉末溶于水。溶液为无色或淡黄色液体，有刺激性气味。磷酸三丁脂为无色至浅黄色透明液体，在沸点温度下分解，溶于大多数有机溶剂和烃类，不溶或微溶于甘油、己二醇及胺类，具有酯的通性，在碱性条件下水解。在室温下通入干燥的氯化氢，生成氯代丁烷。在三氟化硼存在下，与苯反应生成仲丁基苯和1，4-二仲丁基苯。用苯胺和稀氢氧化钠溶液处理，生成二丁苯胺。

步骤二、将所述氮化硅原粉与所述添加剂充分融合。

具体地，上述原料的可选重量份数比如下：氮化硅原粉80份，金属氧化物10份，稀土氧化物4份，粘结剂1份，分散剂0.5份，消泡剂0.1份，可将上述原料搅拌混合混合均匀。

步骤三、利用气氛压力烧结工艺对融合后的粉末进行燃烧，使所述添加剂在气氛压力烧结过程中释放。

氮化硅基板需要厚度尺寸在0.24～0.32mm，热导率≥90，这就需要在原料配方中调配出适合气氛压力烧结工艺中所能达到的添加剂，本发明所采用的组合配方体系，可以使稀土类添加剂充分融合到氮化硅原粉中，并在气氛压力烧结过程中释放，使添加剂形成的纳米粉体包裹氮化硅粉体，纳米氮化硅陶瓷复合材料的力学性能好，特别是在高温条件下仍能使陶瓷的硬度、强度得以很大的提高，从而可以使得本发明的氮化硅基板原料所能制备出的氮化硅基板在满足超大尺寸、超薄厚度、高导热率等工艺要求的同时保证机械性能。

在本实施例中，所述步骤三还可以包括：

采用气相增强控温活化法，控制Si-N体系的最高燃烧反应温度，同时采用化学激励和机械活化手段来降低反应活化能，从而提高粉体反应活性，促进反应动力学，实现燃烧合成低成本氮化硅粉体。

在本实施例中，所述步骤三还可以包括：

利用除尘***的引风负压以及旋风分离器，根据氮化硅粉末的粉体颗粒粒度设计，对粉块进行吸扫，消除搭桥，提高致密性。旋风分离器是用于气固体系或者液固体系的分离的一种设备，工作原理为靠气流切向引入造成的旋转运动，使具有较大惯性离心力的固体颗粒或液滴甩向外壁面分开。旋风分离器的主要特点是结构简单、操作弹性大、效率较高、管理维修方便，价格低廉，用于捕集直径5～10μm以上的粉尘，广泛应用于制药工业中，特别适合粉尘颗粒较粗，含尘浓度较大，高温、高压条件下，也常作为流化床反应器的内分离装置，或作为预分离器使用，是工业上应用很广的一种分离设备。

同时，采取密闭作业，由设备代替人工操作，来保证氮化硅粉纯度，从而使氮化硅粉杂质含量从PPm级到PPb级的提升，同时把粉的粒度分布变窄，达到满足性能要求及实际应用的最佳状态。

综上所述，本发明实施例提供的一种氮化硅基板原料制备方法实现了产品达到国际先进水平的同时，使用国产化设备即可实现产品产出，又实现了低成本可规模化生产，平均成本低于国际先进30～40％，完全替代国外进口。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氮化硅基板原料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、向氮化硅原粉中加入添加剂，所述添加剂为稀土类添加剂；

步骤二、将所述氮化硅原粉与所述添加剂充分融合；

步骤三、利用气氛压力烧结工艺对融合后的粉末进行燃烧，使所述添加剂在气氛压力烧结过程中释放。

2.根据权利要求1所述的一种氮化硅基板原料制备方法，其特征在于，所述步骤三还包括：

采用气相增强控温活化法，控制Si-N体系的最高燃烧反应温度，同时采用化学激励和机械活化手段来降低反应活化能。

3.根据权利要求1所述的一种氮化硅基板原料制备方法，其特征在于，所述步骤三还包括：

利用除尘***的引风负压以及旋风分离器，根据氮化硅粉末的粉体颗粒粒度设计，对粉块进行吸扫，消除搭桥，提高致密性。

4.根据权利要求1所述的一种氮化硅基板原料制备方法，其特征在于，所述步骤一中，所述稀土类添加剂为氟化钇、三氟化镧、无水氟化镱、氟化铕、三氟化钐、三氟化铈或氟化钕中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种氮化硅基板原料制备方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：向氮化硅原粉中加入金属氧化物，所述金属氧化物为为氧化铝、氧化镁、氧化锆或氧化钛中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种氮化硅基板原料制备方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：向氮化硅原粉中加入粘结剂，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇或酚醛树脂。

7.根据权利要求1所述的一种氮化硅基板原料制备方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：向氮化硅原粉中加入分散剂，所述分散剂为聚丙烯酸铵。

8.根据权利要求1所述的一种氮化硅基板原料制备方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：向氮化硅原粉中加入消泡剂，所述消泡剂为磷酸三丁脂。

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