一种制造技术

本发明专利技术涉及一种

【技术实现步骤摘要】
一种SiC基复合材料的一体化连接方法及在制备半导体SiC真空吸盘中的应用


[0001]本专利技术涉及一种应用于半导体
SiC
真空吸盘的一体化连接技术，具体涉及一种
SiC
基复合材料的一体化连接方法及在制备半导体
SiC
真空吸盘中的应用，更具体地涉及一种以
SiC
粉
、Si
颗粒
、Ti
颗粒和炭黑为原料，通过
Ti
‑
Si
合金颗粒对多孔预制体进行熔渗处理，将原位熔渗法与钎焊连接技术相结合制备成致密的且具有一定连接强度的半导体
SiC
真空吸盘，属于半导体材料连接领域
。

技术介绍

[0002]作为一种重要的高温结构材料，碳化硅
(SiC)
陶瓷具有原子半径小
、
键长短
、
共价键性强等特性，因而具有高温力学性能出众
、
耐磨损抗化学腐蚀
、
抗氧化温度高
、
热膨胀系数小
、
抗辐照等显著优势，普遍应用于精密加工
、
石油化学
、
交通运输
、
航空航天
、
核能等高精尖领域
。
此外，
SiC
还表现出热导率高
、
禁带宽度大
、
临界击穿电场高
、
电子饱和漂移速率大等功能性特点，使其广泛应用于高温
、
高频
、
高功率
、
抗辐射半导体组件中，被公认为极具发展前景的第三代宽禁带半导体材料
。
引入
Ti、Ta、Cr、Zr、V
等活性元素到
SiC
陶瓷中制备
SiC
基复合材料，可实现对
SiC
基陶瓷化学性能及力学性能的调控，同时保持较高的导电性与抗氧化性能，是一种应用前景良好的复合材料
。
此外，由于
SiC
具有脆性高
、
加工性能差等缺点，使得制造大尺寸及形状复杂部件面临严峻挑战
。
目前，
SiC
陶瓷材料的连接技术发展迅速，主要包括以下几类：直接连接
、
金属钎焊连接
、
固相扩散链接
、
前驱体连接
、MAX
相连接等方式
。
[0002]在上述这些连接方式中，主要存在以下缺点：
1)、
热膨胀系数不匹配：陶瓷材料通常具有较低的热膨胀系数，与金属等其他材料相比存在较大差异，容易在温度变化时引起热应力和裂纹
。
脆性和易碎性；
2)、
陶瓷材料具有脆性和易碎性，容易发生破裂和损坏，限制了连接强度和可靠性；
3)、
加工困难：陶瓷材料通常具有高硬度和高熔点，加工难度较大，需要专门的工艺和设备；
4)、
连接强度限制：相比于金属材料，陶瓷材料的连接强度通常较低，容易发生失效和断裂
。
[0003]因此，很有必要探寻一种新的可应用于
SiC
陶瓷的连接方式
。
钎焊作为陶瓷连接中应用最为广泛的方法之一，具有良好的工程化应用背景，在钎焊连接过程中，陶瓷母材与金属焊料之间因为热膨胀系数失配而导致的焊接应力一直是困扰碳化硅陶瓷钎焊的技术难题之一
。

技术实现思路

[0004]针对现有半导体
SiC
真空吸盘的制备以及连接技术所存在的缺陷，本专利技术首次提
出一种将原位熔渗法与钎焊连接技术相结合制备成致密的且具有一定连接强度的半导体
SiC
真空吸盘的一体化连接技术
。
[0005]具体地，本专利技术提供了一种
SiC
基复合材料的一体化连接方法，包括：将
Ti
‑
Si
合金颗粒铺展到由两块或多块堆叠放置的
SiC/C
多孔预制坯体上，经过原位反应熔渗烧结，进而实现
SiC
基复合材料的制备及一体化连接过程
。
[0006]本专利技术中，利用
Ti
‑
Si
共晶焊料与
SiC
基母材具有良好的化学相容性以及
Ti
‑
Si
共晶焊料的热膨胀系数与
SiC
陶瓷的热膨胀系数比较接近，进而降低焊接接头应力
。
[0007]本专利技术中，通过
Ti
‑
Si
合金颗粒对多孔预制体进行熔渗处理，将原位熔渗法与钎焊连接技术相结合制备成致密的且具有一定连接强度的半导体
SiC
真空吸盘
。
本专利技术将
SiC
的制备与一体化连接技术一步完成，无需烧结制备后再钎焊连接两步过程，工艺方便简单，成本低
、
效率高
、
具有良好的工业化应用前景
。
此种连接技术在半导体材料连接领域具有重要意义，其对于半导体工业生产技术的进步和生产效率的提升都有不可磨灭的推进作用
。
经检索，目前尚无该原位反应合成技术的专利及论文报道
。
[0008]本专利技术中，将
SiC
的制备与一体化连接技术一步完成，无需烧结制备后再钎焊连接两步过程，工艺方便简单，成本低
、
效率高
、
具有良好的工业化应用前景
。
此种连接技术在半导体材料连接领域具有重要意义，其对于半导体工业生产技术的进步和生产效率的提升都有不可磨灭的推进作用
。
[0009]较佳的，所述
Ti
‑
Si
合金粉中
Ti
的质量分数为
25
～
45wt.
％；所述
Ti
‑
Si
合金粉的粒径尺寸为3～
5mm。
本专利技术可以通过调控
Ti
‑
Si
合金中
Ti
的含量，以及起始原料成分的
C:SiC
，对所制备的且具有一定连接强度的
SiC
的相关性能进行调控
。
[0010]较佳的，所述
Ti
‑
Si
合金粉的制备过程包括：
(1)
将
Ti
颗粒和
Si
颗粒按比例混合后置于水冷铜坩埚中，采用真空电弧熔炼后冷却至室温，得到铸锭；
(2)
重复步骤
(1)5
～7次且每次将制得铸锭翻转
180
°
，得到
Ti
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种
SiC
基复合材料的一体化连接方法，其特征在于，包括：将
Ti
‑
Si
合金粉铺展到至少两块堆叠放置的
SiC/C
多孔预制坯体上，经过原位反应熔渗烧结，进而实现
SiC
基复合材料的一体化连接
。2.
根据权利要求1所述的一体化连接方法，其特征在于，所述
Ti
‑
Si
合金粉中
Ti
的质量分数为
25
～
45wt.
％；所述
Ti
‑
Si
合金粉的粒径尺寸为3～
5mm。3.
根据权利要求2所述的一体化连接方法，其特征在于，所述
Ti
‑
Si
合金粉的制备过程包括：
(1)
将
Ti
颗粒和
Si
颗粒按比例混合后置于水冷铜坩埚中，采用真空电弧熔炼后冷却至室温，得到铸锭；
(2)
重复步骤
(1)5
～7次且每次将制得铸锭翻转
180
°
，得到
Ti
‑
Si
共晶锭；
(3)
将所得
Ti
‑
Si
共晶锭经过破碎，得到
Ti
‑
Si
合金颗粒
。4.
根据权利要求3所述的一体化连接方法，其特征在于，所述
Ti
颗粒的粒径为3～
5mm
，纯度
≥99.9
％；所述
Si
颗粒的粒径为3～
5mm
，纯度
≥99.9
％；所述真空电弧熔炼的参数包括：真空度
≤8
×
10
‑3Pa
；电流范围为
120
～
260A
；水冷铜坩埚所用冷却水的温度为
22
～
24℃
，所用冷却水的压力为
0.1
～
0.2MPa。5.
根据权利要求1‑4中任一项所述的一体化连接方法，其特征在于，每块
SiC/C
多孔预制坯体的孔径为
400nm
～
1.5
μ
m
，孔隙率为
3.63
～
8.13
％，厚度为1～
10mm、
优选为3～
6mm
；所述
SiC/C
多孔预制坯体包含
SiC
粉和炭黑，所述
SiC
粉和炭黑的质量比为1：
(0.1
～
0.66)
；所述
SiC/C
多孔预制坯体的制备过程包括：将
SiC
粉
、
炭黑和粘结剂通过球磨混合
、
雾化造粒和成型，制得
SiC/C
多孔预制坯体
。6.
根据权利要求5所述的一体化连接方法，其特征在于，所述
SiC
粉的粒径为5～
50
μ
m
，纯度
≥99.9
％；所述炭黑的粒径为1～5μ
m
，纯度
≥99.9
％；所述粘结剂为酚醛树脂
、PVB、PVA
中的至少一种，优选为酚醛树脂；所述粘结剂的质量分数为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘岩，赵子燕，刘学建，黄政仁，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：