一種碳化硅低壓壓敏陶瓷及其固相燒結制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用于低壓微電子領域的固相燒結碳化硅(SiC)壓敏陶瓷的制備方法，屬于SiC陶瓷領域。
【背景技術】
[0002]壓敏陶瓷因具有良好的非線性伏安特性，其電阻隨著電壓的增加而急劇減小，在滅電火花、過電壓保護、制備避雷針和電壓穩定化等方面有著重要的作用。碳化硅(SiC)壓敏陶瓷性能穩定，不易老化，使用壽命長，除在滅磁速度方面SiC壓敏電阻元件性能略差于ZnO電阻元件相應性能外，在元件運行可靠，結構緊湊體積小、能容大、時效性良好，元件自身可獨立實現較好的均流和均能特性等諸多集成綜合性能方面具有明顯的優點。
[0003]同時SiC陶瓷以其優異的高溫穩定性、耐磨性、高的熱導率而廣泛應用于工業生產中。其中固相燒結的SiC陶瓷由于燒結助劑含量很低，晶界處不會殘留較低熔點的物質，其物理化學性能具有高溫穩定性，耐強酸強堿環境等特性，因此固相燒結的SiC陶瓷具有特殊的應用價值，可以作為苛刻環境下運行的電子元件。
[0004]另外隨著集成電路的快速發展，各種電子器件的驅動電壓及耐壓值逐漸下降，與此同時，由于靜電、電磁脈沖等原因導致的單一器件誤操作或損壞造成的整個集成電路出現誤操作或損壞的幾率也大大增加，因此在現代集成電路應用中，需要大量的低壓壓敏電阻吸收在電路內部或外部形成的浪涌電壓或電流，對集成電路進行保護，因此低壓壓敏電阻的發展與應用受到廣泛關注。
【發明內容】
[0005]本發明旨在綜合固相燒結SiC陶瓷優點，制備出低壓SiC壓敏陶瓷，以應用于微電子領域。
[0006]首先，提供一種所述碳化硅低壓壓敏陶瓷由碳化硅和固相燒結過程中原位復合的碳組成，所述碳在所述碳化硅低壓壓敏陶瓷的重量百分含量為3?6wt%的壓敏電壓UlmA在1.9Vmm-1?14.SVmnf1可控，非線性系數α〈3。
[0007]較佳地，所述碳化硅低壓壓敏陶瓷的密度為3.10?3.16g.cm—3，室溫下熱導率2150W.Hf1IT10
[0008]本發明還提供了一種上述碳化硅低壓壓敏陶瓷的制備方法，包括:
配置原始粉料:碳化娃93?97wt%，燒結助劑7wt%以下、粘結劑加入量為粉體總質量I?10wt%，
將所述原始粉料通過球磨混合，配成固含量為40?45wt %的楽料；
將所得漿料噴霧造粒，依次進行干壓成型和等靜壓成型，獲得坯體；
將所得坯體真空脫粘后，在常壓惰性氣氛條件下于1900?2300°C下燒結I?2小時，得所述碳化硅低壓壓敏陶瓷。
[0009]本發明中，所述SiC粉體的粒徑為0.1?Ιμπι。優選采用高純SiC粉體，其氧含量<1.8wt%，Fe含量 < 0.02wt%。
[0010]本發明中，所述燒結助劑可為C黑、B、B4C至少一種。
[0011]本發明中，所述粘結劑可為酚醛樹脂或PVA或/和PVB。
[0012]較佳地，所述干壓成型的壓力為15?lOOMPa。
[0013]較佳地，所述等靜壓的壓力為150?210MPa。
[0014]本發明還提供一種調節碳化硅陶瓷的低壓壓敏性能的方法，所述方法以C黑、B、B4C中的至少一種作為燒結助劑，以酚醛樹脂、PVA和/或PVB為粘結劑無壓固相燒結制備原位復合有碳的碳化硅陶瓷，其中C黑和/或酚醛樹脂在固相燒結過程中裂解產生的碳作為碳源，通過控制碳源的量以調節碳化硅陶瓷的低壓壓敏性能以使其壓敏電壓UlmA在1.QVmm1?14.8Vmm—1 可控。
[0015]本發明提供了一種高導熱，高耐腐蝕性低壓SiC壓敏陶瓷及其制備方法，經測試所述低壓SiC壓敏陶瓷具有低壓壓敏特性，壓敏電壓UlmA在1.9Vmm—1?14.8Vmm—1可控，非線性系數α〈3，其伏安特性如圖1所示，隨著C含量的增加其表現為很好的非線性伏安特性，在電壓15V mm—1左右，SiC陶瓷材料的晶界被導通，此時電流密度繼續增大，電壓保持恒定。其密度為3.10?3.16g.cm—3，室溫下熱導率2 150W.Iif1K'此外，本發明制備的低壓SiC壓敏陶瓷性能穩定，不易老化，使用壽命長，元件運行可靠，結構緊湊體積小、能容大、時效性良好，元件自身可獨立實現較好的均流和均能特性。
【附圖說明】
[0016]圖1為不同C含量固相燒結碳化硅陶瓷伏安特性曲線；
圖2為不同C含量固相燒結碳化硅陶瓷微觀結構。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。
[0018]本發明旨在提供一種具有低壓壓敏特性的碳化硅陶瓷，通過在無壓固相燒結制備碳化硅陶瓷控制原位復合到其中的碳含量獲得一種化硅低壓壓敏陶瓷并使其壓敏電壓U1HiA在1.θνπιπΓ1?14.SVmnf1可控，且具有很好的非線性伏安特性。
[0019]下面說明本發明的碳化硅低壓壓敏陶瓷的示例制備方法。以SiC粉體、燒結助劑、粘結劑(酚醛樹脂或PVA和/或PVB)為原料，通過球磨混合配成漿料;然后將漿料噴霧造粒制成粉體，再將粉體經過干壓成型和等靜壓成型制成坯體;在真空脫粘后，坯體在常壓惰性氣體條件下進行燒結，便可得所述低壓SiC壓敏陶瓷。其中，SiC粉體優選為高純SiC粉體，其氧含量< 1.8wt%，Fe含量< 0.02wt%，以保證碳化硅粉體在燒結過程中產生不必要的缺陷。以固體粉體的總重量為基準計，燒結助劑優選為C黑、B和B4C中的至少一種，質量百分含量可為O?7wt%，其中C質量百分含量為O?6wt%、B或者B4C質量百分含量可為O?lwt%。粘結劑可選為酚醛樹脂或者PVA、PVB等有機物，加入量為粉體總質量的I?1wt %，也可根據需要把粘結劑配成溶液在球磨混時添加。在球磨混合時可選用SiC球作為研磨球，以保證球磨過程中研磨球損料不會作為新的雜質原料出現，其中SiC球質量和原始粉料質量比可為2:1。在球磨過程中添加水或其他溶劑，最后形成粉體質量比為40?45wt%的漿料。干壓成型的壓力可選為15?lOOMpa，時間2min，隨后在壓力下進行等靜壓成型處理時壓力可選為150?210MPa，保壓2min。燒結氣氛可選為氬氣氣氛，燒結溫度為1900?2300°C，優選為2100?2200°C，燒結時間為I?2小時。
[0020]作為示例，進一步具體地描述低壓SiC壓敏陶瓷制備過程，包括如下:I)配置原始粉料:碳化娃93?97wt%，燒結助劑7wt%以下、粘結劑加入量為粉體總質量I?10wt%，；2)將所述原始粉料通過球磨混合，配成固含量為40?45wt %的漿料;3)將所得漿料噴霧造粒，依次進行干壓成型和等靜壓成型，獲得坯體;4)將所得坯體真空脫粘后，在常壓惰性氣氛條件和燒結溫度為1900?2300°C下煅燒I?2小時，得所述固相燒結低壓壓敏SiC陶瓷。所述SiC粉體的粒徑為0.1?Ιμπι，所述燒結助劑為C黑、B、B4C至少一種，所述粘結劑為酚醛樹脂或PVA或/和PVB，所述球磨混合以SiC球作為研磨球，SiC球質量和原始粉料質量比為2:1，所述干壓成型的壓力為15?lOOMPa，所述等靜壓的壓力為150?210MPa。
[0021]將獲得的碳化硅陶瓷經熔融NaOH腐蝕后的微觀結構如圖2所示。SiC陶瓷晶粒大小隨著C含量增加減小。
[0022]將獲得的SiC陶瓷加工成Φ1mm厚度2mm的圓片，并將其兩端