一种氮化物陶瓷烧结方法与流程

本发明涉及氮化物陶瓷加工，更具体地，涉及一种氮化物陶瓷烧结方法。

背景技术：

1、氮化铝陶瓷是一种性能优异的陶瓷，因其晶体具有禁带宽度大，电子漂移速度高，介电性能好等特点，被认为是第三代半导体材料的典型代表。氮化铝陶瓷具有热导率高、热膨胀系数与硅接近、机械强度高、化学性能稳定以及环保无毒的综合性能，在电子技术迅猛发展，电子元器件集成程度不断增加的今天，氮化铝陶瓷被认为是理想的散热和电子器件封装的理想材料。

2、氮化铝陶瓷的烧结一般在1700℃以上(如1750℃)烧结较长的时间，故需要选用石墨炉进行烧结，其烧结过程通常为：将氮化铝生坯体放置在氮化硼匣钵中，然后将氮化硼匣钵转移至石墨炉中，高温烧结后得到氮化铝陶瓷。需要将氮化铝生坯体放置在氮化硼匣钵中，主要原因是：一方面，保证烧结时氮化铝生坯体的温度场较为均匀；另一方面，烧结过程中，石墨炉会挥发出碳蒸气，碳蒸汽直接与氮化铝生坯体接触，会使得氮化铝陶瓷严重发红或发黑，而氮化硼匣钵能形成较为密封的空间，营造比较干净的气氛，能在一定程度上降低氮化铝陶瓷发红或发黑的程度。

3、然而，随着产品应用场景的要求越来越高，氮化铝陶瓷的发红和发黑问题还需进一步改善，这带来了较大的挑战。首先，匣钵的氮化硼材料为多孔材料，少部分的碳蒸气仍会透入到匣钵内部，其次，匣钵的主体与盖体之间也会存在一定的缝隙，碳蒸气也会通过这些缝隙进行到匣钵内，这两点导致完成烧结后的氮化铝陶瓷的发红和发黑问题的改善程度仍然不佳，无法满足客户的需要。

技术实现思路

1、本发明的首要目的是克服上述现有技术中氮化铝陶瓷在石墨炉烧结过程中发红和发黑的情况未得到较好的改善的问题，提供一种氮化物陶瓷的烧结方法。该方法将氮化物生坯体和无机物粉末独立地置于同一氮化硼匣钵中，并调控无机物粉末的氧含量和平均粒径以及无机物粉末与氮化物生坯体的质量比，再将氮化硼匣钵放入石墨炉进行烧结，在氮化物陶瓷热导率和力学性能得到保障的前提下，可以有效地改善氮化铝陶瓷烧结过程中的发红和发黑的问题，烧结后得到的氮化铝陶瓷整体的颜色均匀一致，边缘无发红或发黑现象。

2、本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

3、一种氮化物陶瓷烧结方法，包括如下步骤：

4、将氮化物生坯体和无机物粉末独立地置于同一氮化硼匣钵中，然后将氮化硼匣钵置于石墨炉，烧结；

5、其中，所述无机物粉末包括氮化硼、氮化铝、氮化硅或单质硅中的至少一种，所述无机物粉末的氧含量为0.5～5wt％，平均粒径为0.5～2μm；所述氮化铝生坯体和无机物粉末的质量比为50:(1～5)。

6、应当理解的是，所述“独立地置于同一氮化硼匣钵中”是指氮化铝生坯体和无机物粉末都置于同一氮化硼匣钵中，两者互相不接触。

7、现有氮化物陶瓷烧结工艺主要是将氮化物生坯体(如，氮化铝生坯体)置于氮化硼匣钵中，然后将氮化硼匣钵置于石墨炉，再烧结。本发明的发明人意外发现，在现有氮化物陶瓷烧结工艺的基础上，将氮化物生坯体和特定的无机物粉末独立地置于同一氮化硼匣钵中，并调控无机物粉末的氧含量和平均粒径以及无机物粉末与氮化物生坯体的质量比，再将氮化硼匣钵放入石墨炉进行烧结，可以有效地改善氮化物陶瓷烧结过程中的发红和发黑的问题，烧结后得到的氮化物陶瓷烧整体的颜色均匀一致，边缘无发红或发黑现象。其原因可能是：调控特定的无机物粉末的氧含量和平均粒径在特定范围内，可使得碳蒸气被无机物粉末吸附并优先与无机物粉末反应，有效地避免了氮化物生坯体与碳蒸气发生反应而发红或发黑。

8、此外，由于本发明的烧结方法减少或避免了氮化物生坯体与碳蒸气发生反应，也可以使氮化物陶瓷的热导率和抗折强度得到提升。

9、如果无机物粉末的氧含量太低，则烧结后的氮化物陶瓷的发红或发黑情况无明显改善，主要原因是碳蒸汽没有被充分吸收，碳蒸汽仍渗入氮化物生坯体中。如果无机物粉末的氧含量太高会导致烧结气氛中氧浓度大，烧结气氛中氧浓度或含量增加，烧结之后的陶瓷中氧含量也会增加，会产生多个负面影响：第一、氧含量增加会跟氮化物及烧结助剂共同形成钇铝酸盐相，钇铝酸盐相的热导率低于1w/(m.k)，远远低于氮化物陶瓷的热导率；第二，氧会取代氮原子形成铝空位，降低声子平均自由程，进而降低热导率；第三、氧含量增多，会增加形成的液相含量，局部液相会富集，晶粒异常长大进而降低陶瓷强度；第四，烧结气氛中的氧会与氮化物生坏体中的氮化物生成氮氧化物，其同样会导致氮化物生坏体发红或发黑。

10、本发明的方法适用于本领域常见的氮化物生坯体的烧结。

11、优选地，所述氮化物生坯体为氮化铝生坯体或氮化硅生坯体。

12、通常地，所述氮化物生坯体经以下任一工艺处理得到：干压工艺、流延工艺、注射工艺、凝胶铸模工艺、3d打印工艺或压铸工艺。

13、通常地，所述氮化物生坯体置于氮化硼匣钵之前已经进行排胶处理。

14、优选地，所述氮化物生坯体包括如下重量份数的组分：氮化物90～98wt％，烧结助剂2～10wt％。

15、更为优选地，所述烧结助剂为氧化物、氟化物或氢化物中的至少一种。

16、进一步优选地，所述氧化物为氧化钇。

17、优选地，所述无机物粉末的松装密度为0.5～1.5g/cm3。

18、优选地，所述无机物粉末的比表面积为1.6～10m2/g。

19、松装密度和比表面积对无机物粉末与碳蒸气的吸附和反应有一定的影响，通过调整无机物粉末的松装密度和比表面积在上述特定范围内，能更好地改善氮化物生坯体烧结后的发红或发黑情况。

20、优选地，所述氮化铝生坯体和无机物粉末的质量比为50:(1～2.5)。

21、通常地，无机物粉末的氧含量可通过如下方式来调控：将高纯无机物粉末暴露在高湿热环境中或在高纯无机物粉末掺杂一定量的氧化物(如氧化铝、氧化硅)。

22、通常地，所述氮化硼匣钵包括匣钵主体和盖体；烧结过程中，所述盖体盖在匣钵主体上，一同置于石墨炉中。

23、通常地，所述烧结在惰性气体氛围下进行。

24、可选地，所述惰性气体氛围为氮气氛围。

25、通常地，所述烧结的压力为103～130kpa。

26、通常地，所述烧结的温度为1750～1850℃，时间为2～10小时。

27、优选地，所述烧结前还包括预烧的步骤，所述预烧的温度为1400～1700℃，时间为1～5小时。

28、先进行预烧的处理，可以一定程度上使氮化物生坯体的致密度提高(达到80～95％)，孔隙率降低，而在预烧的温度下，石墨炉挥发出来的碳蒸气较少；当再进行烧结(在1750～1850℃下)时，由于氮化物生坯体的孔隙率已较低，可以较好地避免石墨炉挥发出来的碳蒸气渗透并与氮化物生坯体反应，因此，进行预烧处理，能更好地改善氮化物生坯体烧结后的发红或发黑情况。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、本发明的方法将氮化物生坯体和无机物粉末独立地置于同一氮化硼匣钵中，并调控无机物粉末的氧含量和平均粒径以及无机物粉末与氮化物生坯体的质量比，再将氮化硼匣钵放入石墨炉进行烧结，在氮化物陶瓷热导率和力学性能得到保障的前提下，可以有效地改善氮化铝陶瓷烧结过程中的发红和发黑的问题，烧结后得到的氮化铝陶瓷烧整体的颜色均匀一致，边缘无发红或发黑现象。