氮化铝烧结体、制备氮化铝烧结体的方法以及陶瓷基板与流程

本发明涉及一种氮化铝烧结体，其具有预定水平的热导率并且表现出改进的弯曲强度和断裂韧性；一种制备氮化铝烧结体的方法，以及一种包含氮化铝烧结体并且具有高热导率和优异的热疲劳耐久性的陶瓷基板。

背景技术：

1、随着电子器件近期的进展，对能够以高效率执行功率转换和控制的功率模块的需求已增加。具有电绝缘性和高热导率两者的陶瓷基板通过快速传递、耗散和冷却高输出功率模块中生成的热量而用作传热介质。陶瓷散热基板由于其在高温下的极小变形和高电压下的优异绝缘性质而被广泛用作高功率逆变器和转换器功率模块的电路基板。

2、陶瓷基板根据将铜与陶瓷接合的方法被分类为dcb（直接覆铜）和amb（活性金属钎焊）基板。常用的陶瓷基板材料包括氧化铝（al2o3）、氮化铝（aln）、碳化硅（sic）和氮化硅（si3n4）。常规地，低成本氧化铝（al2o3）已被广泛使用，但由于其低机械强度和热导率，存在主要使用具有相对优异物理性质的氮化铝（aln）或氮化硅（si3n4）的趋势。陶瓷材料和接合方法根据逆变器和转换器功率模块的输出和应用领域来确定。

3、近来，随着对配备电驱动马达的车辆（如电动车辆和混合动力车辆）的需求增加，对逆变器和转换器功率模块封装的需求也已经增加。满足汽车性能要求的新功率模块的开发正在积极进行中。汽车功率模块所需的特性之一是长期可靠性。

4、在功率模块的操作期间于半导体器件中产生大量热量，其中由于此发热问题导致开关损耗，并且硅半导体器件在高于150℃的温度下可能失去其半导体性质，因此需要能够快速耗散功率模块内产生的热量的技术。

5、由于aln基板具有170 w/mk的热导率，其高于其它基板材料的热导率，所以aln基板可快速耗散功率模块中生成的热量，但由于其低机械强度，其使用受到限制。由于此低机械强度，在其中陶瓷散热基板被反复暴露于高低温循环的热疲劳评价中，陶瓷与铜之间发生分层。

6、为克服这些限制，已进行了各种研究以同时改进氮化铝烧结体的耐久性，如强度和韧性。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、本发明的目的是提供一种陶瓷散热基板，其能够通过解决在通过直接覆铜（dcb）法进行铜接合之后陶瓷与铜之间的接合强度降低的问题来保持热导率的目标水平并且具有优异强度而不使绝缘性能变差。

3、本发明的另一目的是提供一种能够提供以上氮化铝烧结体的制备氮化铝烧结体的方法。

4、本发明的另一目的是提供一种包含以上氮化铝烧结体的陶瓷基板。

5、[技术方案]

6、为实现上述目的，本发明提供一种氮化铝（aln）烧结体。

7、[1]本发明提供一种氮化铝烧结体，其通过将包含氮化铝粉末、含锆氧化物和烧结助剂的混合物在两个不同温度下连续地烧结而获得，其中包含（基于100重量份氮化铝粉末）0.4重量份至8.0重量份的量的含锆氧化物，氮化铝烧结体不含碱土金属，氮化铝烧结体包含氮化铝晶粒，并且氮化铝晶粒具有2.6μm至4.3μm的平均晶粒尺寸。

8、[2]本发明提供以上[1]的氮化铝烧结体，其中氮化铝烧结体具有600 mpa或更高的弯曲强度、3.60mpa·m1/2或更高的断裂韧性、100 w/mk或更高的热导率以及20kv/mm或更高的介电强度。

9、此外，为实现上述目的，本发明提供一种制备氮化铝（aln）烧结体的方法。

10、[3]本发明提供一种制备氮化铝烧结体的方法，所述方法包括以下步骤：（s1）混合氮化铝粉末、含锆氧化物和烧结助剂；（s2）向混合物中添加溶剂以形成浆料；（s3）从浆料中去除气泡；（s4）由浆料形成成型产品并且将成型产品引入烧结反应器中；（s5）将烧结反应器的温度升高至1,750℃至1,850℃并且对成型产品进行初次烧结；以及（s6）将烧结反应器的温度降低至1,600℃至1,700℃并且连续地对成型产品进行二次烧结，其中包含（基于100重量份氮化铝粉末）0.4重量份至8.0重量份的量的含锆氧化物。

11、[4]本发明提供以上[3]的方法，其中方法还包括在进行二次烧结之后将反应器的温度从步骤（s6）的温度以每小时50℃至70℃的速率降低至环境温度的步骤（s7）。

12、[5]本发明提供以上[3]或[4]的方法，其中初次烧结执行1.5小时至2小时，并且二次烧结进行4小时至6小时。

13、此外，为实现上述目的，本发明提供一种陶瓷散热基板。

14、[6]本发明提供一种陶瓷基板，所述陶瓷基板包括：包含以上[1]或[2]的氮化铝烧结体的基板；以及形成在包含氮化铝烧结体的基板的一个表面和另一表面上的铜层。

15、[7]本发明提供以上[6]的陶瓷基板，其中在氮化铝烧结体和铜层上形成al2o3氧化物层，并且al2o3氧化物层具有5μm至10μm的厚度。

16、[有益效果]

17、由于根据本发明的氮化铝烧结体表现出优异的热导率、改进的弯曲强度和断裂韧性，并且在通过直接覆铜（dcb）法进行铜接合之后具有高的抗热疲劳耐久性，所以氮化铝烧结体可保持陶瓷与铜之间的接合强度，因此，其可有用地用于制备具有优异的热导率和机械强度以及优异的抗热疲劳耐久性的陶瓷基板。

18、此外，由于根据本发明的制备氮化铝烧结体的方法通过添加部分地稳定化的氧化锆来抑制晶粒生长并且通过执行两个步骤的烧结来停止晶粒生长并且使微观结构致密化，所以其可保持优异的热导率并且同时改进弯曲强度和断裂韧性。

1.一种氮化铝烧结体，通过将包含氮化铝粉末、含锆氧化物和烧结助剂的混合物在两个不同温度下连续地烧结而获得，

2.根据权利要求1所述的氮化铝烧结体，其中，所述氮化铝烧结体具有600 mpa或更高的弯曲强度、3.60 mpa·m1/2或更高的断裂韧性、100 w/mk或更高的热导率以及20 kv/mm或更高的介电强度。

3.一种制备氮化铝烧结体的方法，所述方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，还包括在执行所述二次烧结之后将所述反应器的所述温度从步骤（s6）的所述温度以每小时50℃至70℃的速率降低至环境温度的步骤（s7）。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述初次烧结执行1.5小时至2小时，并且所述二次烧结执行4小时至6小时。

6.一种陶瓷基板，包括：

7.根据权利要求6所述的陶瓷基板，其中，在所述氮化铝烧结体和所述铜层上形成al2o3氧化物层，并且所述al2o3氧化物层具有5μm至10μm的厚度。