一种具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板及其制备方法与流程

本发明属于先进陶瓷材料及电子封装基板，具体涉及一种具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板及其制备方法。

背景技术：

1、氮化硅陶瓷具有高强度、高断裂韧性、良好的耐热冲击性、较高热导率以及与铜、铝等金属材料相对匹配的热膨胀性能，适合用作功率半导体器件、车规级igbt模块、sic/gan功率模块及其他高可靠电子元器件的绝缘散热基板。在实际应用中，氮化硅陶瓷基板通常需要与铜层、钼锰层、活性金属钎料层或其他金属功能层结合，形成金属化陶瓷基板。金属化界面的结合强度、热循环可靠性和界面热阻直接影响功率器件的服役寿命。现有氮化硅陶瓷基板通常以提高基体致密度和热导率为主要目标，烧结后表面较为致密、光滑，表面化学活性较低，直接进行活性金属钎焊或厚膜金属化时，容易出现润湿不足、界面局部空洞以及剥离强度波动大等问题。为了提高金属化结合强度，一般采用喷砂、激光粗化、机械研磨、酸碱腐蚀或外加过渡层等方法处理陶瓷表面。

2、然而，单纯机械粗化容易在陶瓷表面引入微裂纹和加工损伤，降低基板强度；强腐蚀处理容易造成表面缺陷不可控；外加玻璃相或氧化物过渡层虽然能改善润湿性，但可能增加界面热阻，影响散热性能。例如，cn104409425b公开了一种高导热氮化硅陶瓷覆铜板及其制备方法，其主要通过活性金属焊膏在真空钎焊条件下实现氮化硅陶瓷基板与无氧铜层的焊接连接；cn111192831a公开了一种用于高导热氮化硅陶瓷基板的表面金属化方法，采用离子轰击表面活化、磁控溅射纳米金属层及真空贴合加压等方式实现氮化硅陶瓷基板与铜的键合。这些方法主要从活性钎料、金属镀层或键合工艺角度改善界面结合，但是对氮化硅陶瓷基板自身表面结构和活性难以实现可控的调节，这就导致界面损伤、工艺复杂以及对设备要求高等问题。因此，亟需开发一种既不明显损伤氮化硅陶瓷基体，又能提高表面金属化适配性的氮化硅陶瓷基板及其制备方法。

技术实现思路

1、发明目的：

2、提供一种具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板及其制备方法，在保持氮化硅陶瓷基体致密性、力学性能和导热能力的同时，通过在基板表面构建与基体连续过渡的微粗化活化层，提高后续金属化过程中的润湿性、机械咬合和界面结合的可靠性。

3、技术方案：

4、一种具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板，包括：氮化硅陶瓷基体以及设置在氮化硅陶瓷基体至少一侧表面的表面梯度活化层；表面梯度活化层包括氮化硅相、硅氧氮相以及含稀土元素的硅酸盐或氧氮化物相中的一种或多种。

5、进一步地，氮化硅陶瓷基体由氮化硅粉体和烧结助剂经烧结制备而成，烧结助剂包括y2o3、yb2o3、lu2o3、mgo、al2o3、sio2、cao中的一种或多种；烧结助剂总量为氮化硅陶瓷基体原料总质量的3-12 wt%；氮化硅陶瓷基体采用流延成型、干压成型、冷等静压成型、凝胶注模成型或其组合成型。

6、进一步地，表面梯度活化层所用的活化浆料包括：陶瓷微粉、表面活化组分、粘结剂和溶剂；陶瓷微粉包括氮化硅微粉、氮化硼微粉、氧化硅微粉或其组合；表面活化组分包括y2o3、yb2o3、mgo、al2o3、sio2、稀土硅酸盐粉体或其组合。

7、进一步地，所述表面梯度活化层的厚度为0.2-20 μm。

8、一种具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板的制备方法，包括：

9、（1）将氮化硅粉体与烧结助剂混合，加入分散介质和成型助剂，通过机械搅拌、球磨得到混合浆料或混合粉体；

10、（2）将混合浆料或混合粉体通过采用流延成型、干压成型、冷等静压成型、凝胶注模成型或其组合成型，得到氮化硅陶瓷素坯；

11、（3）对氮化硅陶瓷素坯进行脱脂和烧结，得到致密氮化硅陶瓷基体；

12、（4）对致密氮化硅陶瓷基体进行定厚研磨、表面清洗和干燥；

13、（5）在氮化硅陶瓷基体至少一侧表面形成活化前驱层；

14、（6）对带有活化前驱层的氮化硅陶瓷基体进行热处理，使活化前驱层与陶瓷基体表层发生界面结合和原位转化，形成表面梯度活化层。

15、进一步地，步骤（5）形成活化前驱层之后，还包括：

16、采用控制氧化、低损伤化学蚀刻或等离子体活化的方式对氮化硅陶瓷基体表面进行预处理。

17、进一步地，步骤（6）中，热处理温度为850-1350℃，保温时间为0.5-6 h；热处理气氛为氮气、氩气、空气、氮气-空气混合气、含微量氧或水蒸气的氮气气氛中的一种。

18、进一步地，还包括：步骤7：在形成表面梯度活化层后，进行超声清洗、轻度抛光、等离子清洗、真空干燥，以去除未结合颗粒，得到适用于金属化的氮化硅陶瓷基板。

19、有益效果：

20、（1）本发明不是通过常规的机械喷砂或激光对表面进行粗化提高结合能力，而是在氮化硅陶瓷表面构建与基体连续过渡的表面梯度活化层，可减少表面加工损伤和微裂纹。

21、（2）表面梯度活化层有粗化结构和化学活化作用，可改善活性金属钎料或金属化浆料在氮化硅表面的铺展、润湿和界面结合。

22、（3）表面梯度活化层厚度可控，能够控制在微米级范围内，不需要形成厚的玻璃层或厚的氧化物层，因此有利于降低界面热阻，保持氮化硅陶瓷基板的散热性能。

23、（4）本发明工艺可与流延成型、气压烧结、研磨抛光、活性金属钎焊、铜金属化等现有产业化工艺适配，适合制备功率半导体封装用氮化硅陶瓷基板。

1.一种具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板，其特征在于，包括：氮化硅陶瓷基体以及设置在氮化硅陶瓷基体至少一侧表面的表面梯度活化层；表面梯度活化层包括氮化硅相、硅氧氮相以及含稀土元素的硅酸盐或氧氮化物相中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板，其特征在于，氮化硅陶瓷基体由氮化硅粉体和烧结助剂经烧结制备而成，烧结助剂包括y2o3、yb2o3、lu2o3、mgo、al2o3、sio2、cao中的一种或多种；烧结助剂总量为氮化硅陶瓷基体原料总质量的3-12wt%；氮化硅陶瓷基体采用流延成型、干压成型、冷等静压成型、凝胶注模成型或其组合成型。

3.根据权利要求1所述的具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板，其特征在于，表面梯度活化层所用的活化浆料包括：陶瓷微粉、表面活化组分、粘结剂和溶剂；陶瓷微粉包括氮化硅微粉、氮化硼微粉、氧化硅微粉或其组合；表面活化组分包括y2o3、yb2o3、mgo、al2o3、sio2、稀土硅酸盐粉体或其组合。

4.根据权利要求1所述的具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板，其特征在于，所述表面梯度活化层的厚度为0.2-20 μm。

5.一种具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤（5）形成活化前驱层之后，还包括：

7. 根据权利要求5所述的具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，热处理温度为850-1350℃，保温时间为0.5-6 h；热处理气氛为氮气、氩气、空气、氮气-空气混合气、含微量氧或水蒸气的氮气气氛中的一种。

8.根据权利要求5所述的具有表面梯度活化层的氮化硅陶瓷基板的制备方法，其特征在于，还包括：步骤7：在形成表面梯度活化层后，进行超声清洗、轻度抛光、等离子清洗、真空干燥，以去除未结合颗粒，得到适用于金属化的氮化硅陶瓷基板。