即烧型超薄氮化硅陶瓷基板及其制备方法与流程

本发明属于半导体陶瓷基板，具体涉及一种即烧型超薄氮化硅陶瓷基板及其制备方法。

背景技术：

1、氮化硅陶瓷基板，凭借其优良的绝缘性能、较高的热导率以及良好的化学稳定性，在电子封装领域得到了极为广泛的应用。超薄氮化硅陶瓷基板在ai芯片与新能源赛道中的核心优势，在于以极致薄型化实现热阻极限压缩与机械强韧支撑的协同统一，同时满足ai算力芯片的千瓦级散热需求与新能源800v平台sic模块的抗热震可靠性要求，成为唯一兼具高热导率（>80 w/m·k）、高抗弯强度（≥900mpa）及低介电损耗的系统性陶瓷基板解决方案。

2、在芯片级散热领域，针对高性能cpu、gpu、npu及asic（尤其是ai芯片），氮化硅陶瓷基板可用于一种直接贴附于芯片背面且无界面层的超薄热扩散片。该热扩散片厚度小于0.100 mm，具有极低的热阻，从而克服了传统导热垫或硅脂因界面层引入的散热瓶颈；同时，其具备高抗折强度，能够在复杂工作环境及机械应力作用下确保基板的结构完整性，避免发生断裂等失效情形。

3、然而，现有技术中氮化硅陶瓷基板仍存在以下不足：（1）制备过程中陶瓷浆料因有机含量高，浆料流变性不足以支撑超薄生带的流延均一性，且排胶过程收缩大，抗形变能力弱；（2）传统流延热风干燥带来生瓷带上下面溶剂挥发速率不一致，薄坯体因干燥速率不均产生卷曲、褶皱、微裂纹缺陷；（3）传统敷粉堆叠方式，无法满足即烧型超薄氮化硅基板的外观控制要求；（4）现有0.200 mm以下规格超薄氮化硅陶瓷基板主流制备工艺，以大厚度基板通过双面研磨加工为主，成品尺寸多局限于2英寸左右，难以适配市场对大尺寸超薄氮化硅基板的应用需求；同时研磨加工易造成基板表层损伤，破坏氮化硅晶粒完整结构，使基板形成原生微观缺陷。此类缺陷在后续服役应力、复杂环境耦合作用下持续扩展劣化，大幅降低基板长期可靠性与使用寿命。

4、因此，如何制备一种即烧型超薄氮化硅陶瓷基板，是一个待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种超薄高导热氮化硅陶瓷基板及其制备方法，通过材料体系、成型结构和生坯叠装的协同创新，实现厚度≤0.200mm、热导率≥80w/(m·k)、抗弯强度≥900mpa的氮化硅瓷片生产。

2、为解决上述问题，本发明提供了一种即烧型超薄氮化硅陶瓷基板的制备方法，其包括以下步骤：

3、a、制浆：将50~65质量份的复配氮化硅粉、5~10质量份的复合烧结助剂、0.5~3质量份的分散剂、13~25质量份的有机溶剂、7~12质量份的可降解生物基高分子粘结剂和2~7质量份的增塑剂进行球磨，得到氮化硅浆料；所述复配氮化硅粉为0.2~0.5μm细粒径粉体与0.6~0.9μm中粒径粉体按质量比3~7：7~3的复配；所述复合烧结助剂为烧结助剂a和烧结助剂b的复配，烧结助剂a为氧化镁、氧化镧、氧化钇、氧化铝、氧化钆或氧化镥中的至少一种，烧结助剂b为氮化硅镁或碳氮化硅钇中的至少一种；所述分散剂为改性苯乙烯-马来酸酐共聚物；

4、b、流延：调控氮化硅浆料粘度后，进行流延成型，完成后，采用紫外光源对上下表面进行预交联固化，完成后，采用分段梯度低温干燥，干燥温度分多段，由30±3℃逐级升至80±5℃，流延生瓷带流过每个温区，模切后得到生坯；

5、c、排胶：选用n加1张石墨纸，在n减1张石墨纸的双面和2张石墨纸的单面涂覆一层氮化硼涂层，将n片生坯与n加1张石墨纸交替堆叠，且确保生坯上下层均为石墨纸，及生坯与石墨纸的接触面均存在氮化硼涂层，进行排胶，得到排胶坯；n为大于等于1的整数；

6、d、烧结：在惰性气氛下对排胶坯进行气压烧结，得到即烧型超薄氮化硅陶瓷基板。

7、优选的，上述制备方法，步骤a中，烧结助剂a为氧化镁、氧化镧、氧化钇、氧化铝、氧化钆或氧化镥中的至少两种。

8、其中，上述制备方法，步骤a中，烧结助剂a占总烧结助剂质量的40%~80%，烧结助剂b占总烧结助剂质量的20%~40%。

9、其中，上述制备方法，步骤a中，烧结助剂a的粒径为0.05~0.5μm。

10、其中，上述制备方法，步骤a中，烧结助剂b的粒径为0.8~1.5μm。

11、其中，上述制备方法，步骤a中，所述有机溶剂为苯类与醇类的复配，苯类为苯、甲苯、二甲苯或三甲苯中的至少一种，醇类为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇或己醇中的至少一种。

12、优选的，上述制备方法，步骤a中，所述有机溶剂为苯类与醇类按质量比2~8：8~2的复配低毒共沸体系。

13、更优选的，上述制备方法，步骤a中，所述有机溶剂为乙醇与甲苯或二甲苯中至少一种按质量比2~8：8~2的复配。

14、其中，上述制备方法，步骤a中，所述改性苯乙烯-马来酸酐共聚物为sma与ppo按质量比3~7：7~3的复配。

15、其中，上述制备方法，步骤a中，所述可降解生物基高分子粘结剂为玉米淀粉、木薯淀粉、甲基纤维素、乙基纤维素中的至少一种。

16、优选的，上述制备方法，步骤a中，所述可降解生物基高分子粘结剂为玉米淀粉、木薯淀粉、甲基纤维素、乙基纤维素中的至少两种。

17、更优选的，上述制备方法，步骤a中，所述可降解生物基高分子粘结剂为玉米淀粉或木薯淀粉中的至少一种与甲基纤维素或乙基纤维素中的至少一种的复配。

18、最优选的，上述制备方法，步骤a中，所述可降解生物基高分子粘结剂为玉米淀粉或木薯淀粉中的至少一种与甲基纤维素或乙基纤维素中的至少一种按质量比2~8：8~2的复配。

19、其中，上述制备方法，步骤a中，所述增塑剂为正硅酸乙酯、peg400、己二酸二辛酯或环己烷二甲酸二异壬酯中的至少一种。

20、其中，上述制备方法，步骤a中，球磨时，加入占球磨机容积1/4~1/2的氮化硅陶瓷球。

21、其中，上述制备方法，步骤a中，先将复配氮化硅粉、复合烧结助剂、分散剂和有机溶剂进行第一次球磨，再加入可降解生物基高分子粘结剂和增塑剂进行第二次球磨。

22、进一步地，上述制备方法，步骤a中，第一次球磨的转速为80~150转/h。

23、进一步地，上述制备方法，步骤a中，第一次球磨的时间为5h~20h。

24、进一步地，上述制备方法，步骤a中，第二次球磨的转速为80~150转/h。

25、进一步地，上述制备方法，步骤a中，第二次球磨的时间为10h~30h。

26、其中，上述制备方法，步骤b中，干燥温度依次为30±3℃，40±3℃、50±3℃、60±3℃、70±3℃四者中的2~4个，80±5℃。

27、其中，上述制备方法，步骤b中，调控氮化硅浆料粘度至5000~20000pa·s。

28、其中，上述制备方法，步骤b中，紫外光源的波长为360±40nm。

29、其中，上述制备方法，步骤b中，预交联固化的时间为5~30s。

30、其中，上述制备方法，步骤b中，干燥温度分4~5段。

31、其中，上述制备方法，步骤b中，流延生瓷带以1600~2000mm/h的速度匀速流过每个温区。

32、其中，上述制备方法，步骤b中，生坯的厚度为0.09~0.25mm。

33、其中，上述制备方法，步骤b中，生坯的尺寸为248mm×185mm，尺寸允许偏差1%。

34、本发明步骤b中，采用高精度卷对卷流延设备进行涂布成型，流延基材选用低应力微凹凸pet载带，涂布湿膜厚度精准匹配0.09~0.25mm生坯厚度。流延涂布完成后，立即采用紫外光源对生坯上下表面进行5~30s同步紫外预交联固化。预固化完成后，采用分段梯度低温干燥，干燥温度由30±3℃逐级升至80±5℃，多段缓速脱除溶剂，流延生瓷带流过每个温区，得到超薄氮化硅陶瓷生料带（生坯）。流延干燥完成后可对超薄氮化硅陶瓷生瓷带进行裁切、叠片平整，处理得到超薄氮化硅陶瓷生坯。

35、其中，上述制备方法，步骤c中，石墨纸的厚度为0.2~1.2mm。

36、其中，上述制备方法，步骤c中，石墨纸的灰分≤300ppm。

37、其中，上述制备方法，步骤c中，氮化硼涂层的厚度为5~15μm。

38、其中，上述制备方法，步骤c中，排胶在惰性气氛下进行（例如采用氮气、氩气等，氮气纯度≥99.99%）。

39、其中，上述制备方法，步骤c中，排胶时，惰性气体的气体流量为100~700l/min。

40、其中，上述制备方法，步骤c中，排胶时，环境氧含量500~800ppm。

41、其中，上述制备方法，步骤c中，排胶时，环境气压为-5~-10pa。

42、本发明中，对超薄氮化硅陶瓷生坯，按石墨纸＋生坯+石墨纸+生坯交替叠片形成柔性夹层约束结构，将该结构置于双层多孔氮化硼夹板，进行排胶。

43、其中，上述制备方法，步骤c中，排胶时，室温升至220±20℃，保温，然后升至400±40℃，保温，然后升至600±60℃，保温。

44、进一步地，上述制备方法，步骤c中，室温升至220±20℃的升温速率为1~2℃/min。

45、进一步地，上述制备方法，步骤c中，220±20℃保温30~60min。

46、进一步地，上述制备方法，步骤c中，升至400±40℃的升温速率为0.5~1.5℃/min。

47、进一步地，上述制备方法，步骤c中，400±40℃保温60~90min。

48、进一步地，上述制备方法，步骤c中，升至600±60℃的升温速率为1~2℃/min。

49、进一步地，上述制备方法，步骤c中，600±60℃保温60~180min。

50、其中，上述制备方法，步骤d中，烧结采用坩埚，其材质为氮化硼，坩埚气孔率为25~50%。

51、其中，上述制备方法，步骤d中，烧结时，从20~30℃升至1100~1300℃，0.12~0.18mpa保温，然后升至1500~1700℃，0.3~0.55mpa保温，然后升至1800~1900℃，0.6~1.0mpa烧结。

52、进一步地，上述制备方法，步骤d中，20~30℃升至1100~1300℃的升温速率为5~8℃/min。

53、进一步地，上述制备方法，步骤d中，0.12~0.18mpa保温40~120min。

54、进一步地，上述制备方法，步骤d中，升至1500~1700℃的升温速率为2~5℃/min。

55、进一步地，上述制备方法，步骤d中，0.3~0.55mpa保温60~180min。

56、进一步地，上述制备方法，步骤d中，升至1800~1900℃的升温速率为2~5℃/min。

57、进一步地，上述制备方法，步骤d中，0.6~1.0mpa烧结180~500min。

58、其中，上述制备方法，步骤d中，所得即烧型超薄氮化硅陶瓷基板的厚度为0.07~0.20mm。本发明中，生坯排胶烧结，特别是烧结会在长宽以及厚度方向收缩，故步骤b所得生坯的厚度略大于步骤c所得排胶坯的厚度，显著大于步骤d即烧型超薄氮化硅陶瓷基板的厚度，同时由于排胶坯极其易碎，一般不做厚度测量。

59、本发明还提供了即烧型超薄氮化硅陶瓷基板，其采用上述制备方法制备所得，其抗弯强度≥900mpa，热导≥80w·m-1·k-1，翘曲0.1%~0.3%。

60、本发明的有益效果：

61、（1）本发明针对超薄流延坯体干燥收缩大、易开裂、生坯强度低、脱脂产气集中、坯体易穿孔塌陷的痛点，采用粗细双峰亚微米氮化硅粉体复配体系，有效提升浆料固含量、降低成型收缩率。

62、（2）本发明摒弃传统氮化硅流延普遍采用的高含量pvb、聚乙烯醇、邻苯类增塑剂等高收缩纯有机物体系，创造性的采用可降解生物基粘结剂+改性陶瓷前驱体增塑剂+低挥发分散剂的三元双功能低收缩有机体系，通过粘结相、塑化相、分散相的精准组分匹配，解决超薄坯体高收缩、易开裂、分散不均、脱脂产气集中的行业痛点。传统氮化硅流延浆料有机组分含量普遍大于20wt%，排胶烧结过程体积收缩率高达18%以上。本发明构建了低收缩、平缓产气、高分散、少残碳的超薄专用有机体系，可将超薄氮化硅浆料的总有机组分含量严格控制在12~16wt%，减少排胶阶段的整体体积收缩率，大幅降低超薄坯体在排胶过程中的结构应变与内应力，彻底解决0.200mm及以下超薄坯体因剧烈收缩导致的穿孔、鼓泡、微裂纹、翘曲变形等核心缺陷。

63、（3）本发明在流延成型段摒弃传统单一热风直接干燥方式，采用双面紫外原位预固化+梯度低温干燥耦合工艺，使用双面紫外线预固化，抑制溶剂快速挥发产生的上下应力差避免超薄坯体因干燥速率不均产生卷曲、褶皱、微裂纹缺陷。

64、（4）本发明摒弃现有超薄氮化硅陶瓷基板采用厚基板激光分切后双面研磨的传统制备工艺，采用一体化大尺寸共烧成型工艺，可制备厚度0.07~0.20mm、外形尺寸190mm×138mm的大尺寸超薄氮化硅陶瓷基板（制成成品的厚度、尺寸会一定程度收缩），且无需后续研磨工序，能够规避研磨加工对氮化硅晶粒完整结构造成的表层损伤，显著提升基板长期服役可靠性与使用寿命。