中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近年來(lái)，半導(dǎo)體器件沿著大功率化,、高頻化,、集成化的方向迅猛發(fā)展。半導(dǎo)體器件工作產(chǎn)生的熱量是引起半導(dǎo)體器件失效的關(guān)鍵因素,，而絕緣基板的導(dǎo)熱性是影響整體半導(dǎo)體器件散熱的關(guān)鍵,。

此外，在電動(dòng)汽車(chē),、高鐵等領(lǐng)域,，半導(dǎo)體器件使用過(guò)程中往往要面臨顛簸、震動(dòng)等復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境,，這對(duì)所用材料的力學(xué)可靠性提出了嚴(yán)苛的要求,。氮化硅（Si3N4）陶瓷是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。

一,、Si3N4陶瓷及其性能特點(diǎn)

Si3N4具有３種結(jié)晶結(jié)構(gòu),，分別是α相、β相和γ相,。其中α相和β相是Si3N4最常見(jiàn)的形態(tài),，均為六方結(jié)構(gòu)。Si3N4陶瓷具有硬度大,、強(qiáng)度高,、熱膨脹系數(shù)小、高溫蠕變小,、抗氧化性能好,、熱腐蝕性能好,、摩擦系數(shù)小等諸多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料,。與其他陶瓷材料相比,，Si3N4陶瓷材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現(xiàn)出的耐高溫性能,、對(duì)金屬的化學(xué)惰性,、超高的硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能。

三種陶瓷基板材料物理力學(xué)性能對(duì)比

從表中可以看出,，Si3N4陶瓷的抗彎強(qiáng)度,、斷裂韌性都可達(dá)到AlN的２倍以上，特別是在材料可靠性上,，Si3N4陶瓷具有其他二者無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),。

二、高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷材料的研究進(jìn)展

1,、原料粉體的影響

原料粉體是影響陶瓷物理,、力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，特別是對(duì)于高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷,，原料粉體的純度,、粒度、物相會(huì)對(duì)氮化硅的熱導(dǎo)率,、力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響,。由于氮化硅的傳熱機(jī)制為聲子傳熱，當(dāng)晶格完整無(wú)缺陷時(shí),，聲子的平均自由程越大,，熱導(dǎo)率越高，而晶格中的氧往往伴隨著空位,、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷,，顯著地降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低,。

因此降低晶格氧含量是提高氮化硅熱導(dǎo)率的關(guān)鍵,，而控制原料粉體中的氧含量則是降低晶格氧含量的有效手段。在高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備過(guò)程中,，初始原料粉體分為硅粉體系和氮化硅粉體系,。其中，以硅粉作為原料粉體最大的優(yōu)勢(shì)是硅粉純度高,，往往達(dá)到99.99％以上,，粉體顆粒表面氧含量極低，這是氮化硅原料粉很難達(dá)到的。

2,、燒結(jié)助劑的影響

氮化硅屬于強(qiáng)共價(jià)鍵化合物,，依靠固相擴(kuò)散很難燒結(jié)致密，必需添加燒結(jié)助劑,，如MgO,、Al2O3、CaO和稀土氧化物等,，在燒結(jié)過(guò)程,，添加的燒結(jié)助劑中可以與氮化硅粉體表面的原生氧化物發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的共晶熔液,，利用液相燒結(jié)機(jī)理實(shí)現(xiàn)致密化。

然而,，燒結(jié)助劑所形成的晶界相自身的熱導(dǎo)率較低,，對(duì)氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率具有不利影響，如氮化硅陶瓷常用的Al2O3燒結(jié)助劑,，在高溫下會(huì)與氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶體,，造成晶界附近的晶格發(fā)生畸變，對(duì)聲子傳熱產(chǎn)生阻礙,，從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率,。因此選用適合的燒結(jié)助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導(dǎo)率的關(guān)鍵途徑,。

氧化物類(lèi)燒結(jié)助劑是氮化硅陶瓷最常用的燒結(jié)助劑體系,，最常見(jiàn)的為金屬氧化物和稀土氧化物的組合。研究表明,，氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率隨著燒結(jié)助劑稀土元素陽(yáng)離子半徑的增大有減小的趨勢(shì),；與添加MgO助燒結(jié)相比，添加CaO助燒結(jié)不利于氮化硅柱狀晶的生長(zhǎng),，熱導(dǎo)率及強(qiáng)度普遍較低,，但硬度較高。事實(shí)上Y2O3－MgO體系的燒結(jié)助劑是高導(dǎo)熱氮化硅材料應(yīng)用比較廣泛的燒結(jié)助劑體系,。

3,、非氧化物燒結(jié)助劑

除常用的氧化物燒結(jié)助劑以外，近年來(lái),，制備氮化硅陶瓷,，特別是高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的一個(gè)研究熱點(diǎn)是對(duì)于非氧化物燒結(jié)助劑的研究。

非氧化物燒結(jié)助劑的優(yōu)勢(shì)在于可以減少額外引入的氧,，這對(duì)于凈化氮化硅晶格,，減少晶界玻璃相，提高熱導(dǎo)率及高溫力學(xué)性能具有重要意義。

研究表明,，稀土離子半徑越小,，越有利于燒結(jié)。測(cè)試結(jié)果表明,，添加稀土氯化物燒結(jié)助劑的氮化硅陶瓷具有優(yōu)良的機(jī)械性能和良好的導(dǎo)熱性能,，如采用LaCl3－La2O3－MgO復(fù)合燒結(jié)助劑的氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率可達(dá)78Ｗ·ｍ-１·Ｋ-１，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1011MPa,。

除稀土氧化物被稀土非氧化物替代作為燒結(jié)助劑的研究外,，還有一些研究采用Mg的非氧化物替代MgO作為燒結(jié)助劑，以達(dá)到降低晶格氧含量,，提高熱導(dǎo)率的目的,。

總之，非氧化物燒結(jié)助劑的使用可以降低氮化硅晶格氧,，達(dá)到凈化晶格,，提高熱導(dǎo)率的目的。然而非氧化物燒結(jié)助劑也存在著原料難得,，成本較高,，燒結(jié)難度大、條件高等問(wèn)題,。因此目前非氧化物燒結(jié)助劑在高導(dǎo)熱氮化硅材料批量化制備方面還沒(méi)有廣泛的應(yīng)用,。

部分資料來(lái)源于  鄭彧《高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀》等