氮化硅（Si3N4）陶瓷作為先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷，具有耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、抗蠕變、耐氧化以及耐磨損等優(yōu)異性能的同時(shí)，還具備良好的抗熱震性與介電性能、高熱導(dǎo)率以及良好的高頻電磁波傳輸性能，優(yōu)異的綜合性能使之已廣泛用作航空航天等領(lǐng)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

但由于 Si3N4 屬于強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，依靠固相擴(kuò)散很難燒結(jié)致密，必須通過(guò)添加燒結(jié)助劑來(lái)促進(jìn)燒結(jié)，如金屬氧化物（MgO、CaO、Al2O3）和稀土氧化物（Yb2O3、Y2O3、Lu2O3、CeO2）等，借助液相燒結(jié)機(jī)理來(lái)進(jìn)行致密化。

目前，全球半導(dǎo)體器件技術(shù)都朝著更高的電壓、更大的電流，和更大的功率密度方向發(fā)展，Si3N4 陶瓷制作方法的研究較多，本文為大家介紹有效提高氮化硅陶瓷致密性和綜合力學(xué)性能的燒結(jié)工藝。

一、Si3N4 陶瓷常用的燒結(jié)方法

目前，制備 Si3N4 陶瓷的常用燒結(jié)方法主要有：反應(yīng)燒結(jié)，無(wú)壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)和氣壓燒結(jié)等。下表是其他實(shí)驗(yàn)中各種燒結(jié)方法制備 Si3N4 陶瓷材料的性能比較。

1. 反應(yīng)燒結(jié)（reactive sintering, RS）是最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化制備 Si3N4 陶瓷的燒結(jié)方式，具有工藝簡(jiǎn)單、易成形、成本低、可制備形狀復(fù)雜的樣品等優(yōu)點(diǎn)。但該燒結(jié)方式生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

2. 無(wú)壓燒結(jié)（pressureless sintering, PLS）是最基本、最簡(jiǎn)單的燒結(jié)工藝。但該方法對(duì) Si3N4 原料要求較高，且較難制得高致密度的 Si3N4 陶瓷，收縮率較大，容易開(kāi)裂變形。

3. 熱壓燒結(jié)（hot pressure sintering, HP）由于單軸機(jī)械壓力的施加，增大了燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，使其在低于常壓燒結(jié) 100 ～ 200 ℃的溫度下也能制得致密度高的陶瓷材料。但這種方法一般用于制備形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的塊體陶瓷，較難滿(mǎn)足基板材料的厚度與形狀要求。

4. 放電等離子體燒結(jié)（spark plasma sintering, SPS）具有快速燒結(jié)、細(xì)化晶粒和降低燒結(jié)溫度的特點(diǎn)。但 SPS 所需的設(shè)備投入較大，且高熱導(dǎo)  Si3N4 的 SPS 制備尚處于實(shí)驗(yàn)階段，并未工業(yè)化生產(chǎn)。

5. 氣壓燒結(jié)（gas pressure sintering, GPS）由于氣體壓力的施加抑制了陶瓷材料在高溫下的分解與失重，不僅易制備高致密度的陶瓷，還能批量化生產(chǎn)。然而，一步氣壓燒結(jié)工藝很難制備出內(nèi)外顏色和結(jié)構(gòu)均一、綜合性能良好的結(jié)構(gòu)件；當(dāng)采用兩步燒結(jié)或多步燒結(jié)時(shí)能大幅度降低晶間氧含量，提高熱導(dǎo)率，綜合性能更為良好。

不過(guò)氣壓兩步燒結(jié)溫度較高，之前的研究主要集中于制備具有高熱導(dǎo)率以及較高室溫抗彎強(qiáng)度的 Si3N4 陶瓷基板材料，對(duì)于制備具有綜合力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能的 Si3N4 陶瓷材料研究較少。

二、氣壓兩步燒結(jié)法制備 Si3N4

重慶理工大學(xué)楊州等人則以 5 wt.% Yb2O3 +5 wt.% Al2O3 作為燒結(jié)助劑體系，在 1800 ℃經(jīng)氣壓一步燒結(jié)和氣壓兩步燒結(jié)工藝分別制備了 Si3N4 陶瓷，其中氣壓兩步燒結(jié)制備出的 Si3N4 陶瓷具有更高致密、更良好的綜合力學(xué)性能。以下為實(shí)驗(yàn)中氣壓一步燒結(jié)和氣壓兩步燒結(jié)工藝分別對(duì) Si3N4 陶瓷結(jié)構(gòu)件微觀形貌、力學(xué)性能的影響。

1. 致密度

Si3N4 致密化過(guò)程一般分為三個(gè)階段，并且階段之間存在重疊，第一個(gè)階段顆粒重排和第二個(gè)階段溶解沉淀是致密化最為關(guān)鍵的兩個(gè)階段，在這兩個(gè)階段若有充足的反應(yīng)時(shí)間將會(huì)有效提升樣品致密度。當(dāng)兩步燒結(jié)的預(yù)燒溫度設(shè)為 1600 ℃ 時(shí)，生成的 β-Si3N4 晶粒相互交錯(cuò)成骨架，形成閉孔；預(yù)燒后繼續(xù)升溫，在高溫高氮?dú)鈮毫ψ饔孟麓龠M(jìn)液相流動(dòng)填充，有利于消除封閉氣孔，使 Si3N4 陶瓷密度得到進(jìn)一步提升。因此，兩步燒結(jié)工藝制備的樣品的密度和相對(duì)密度高于一步燒結(jié)。

2. 物相與微觀形貌

一步燒結(jié)過(guò)程中，顆粒重排和晶界擴(kuò)散所需的時(shí)間受到限制。兩步燒結(jié)工藝通過(guò)在在低溫低氣壓下進(jìn)行第一步燒結(jié)，通過(guò)延長(zhǎng)顆粒重排時(shí)間，得到更大尺寸的晶粒，再升到高溫階段保溫，晶粒通過(guò)奧斯瓦爾德熟化過(guò)程繼續(xù)長(zhǎng)大，得到高致密的 Si3N4 陶瓷。

晶間相在高溫條件下的軟化是導(dǎo)致強(qiáng)度下降的主要原因。在一步燒結(jié)中異常長(zhǎng)大晶粒使得晶粒間存在的小孔隙導(dǎo)致高溫強(qiáng)度無(wú)法得到較大提升。但在兩步燒結(jié)工藝中，均勻分布在晶粒間隙的玻璃相和均勻尺寸的晶粒提高了晶間強(qiáng)度，具有較高的高溫抗彎強(qiáng)度。

綜上所述，一步燒結(jié)長(zhǎng)時(shí)間保溫可以有效減少樣品內(nèi)部存在孔隙的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部顏色結(jié)構(gòu)的均一，但是會(huì)導(dǎo)致晶粒異常長(zhǎng)大，惡化部分力學(xué)性能。而采取兩步燒結(jié)工藝通過(guò)在低溫下預(yù)燒延長(zhǎng)顆粒重排時(shí)間，在高溫度下保溫促進(jìn)晶粒均勻生長(zhǎng)，成功制備出了相對(duì)密度達(dá)到 98.25%、微觀形貌均勻、綜合力學(xué)性能優(yōu)異的 Si3N4 陶瓷。