中國粉體網(wǎng)訊  小型化,，輕薄化的設(shè)計(jì)是當(dāng)前電子產(chǎn)品的主流,，這對(duì)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)帶來了巨大考驗(yàn),。電子元器件溫度每升高2°C，可靠性下降10%；溫升50°C的壽命只有溫升25°C時(shí)的1/6,，因此散熱是決定電子產(chǎn)品性能穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵因素,。

目前，關(guān)于高導(dǎo)熱材料的研究較多,，Slack G A歸納了高熱導(dǎo)率材料應(yīng)具備的4個(gè)條件：①原子質(zhì)量�,。虎阪I合強(qiáng)度高,；③晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,；④晶格非簡(jiǎn)諧振動(dòng)小。

高導(dǎo)熱材料種類繁多,，可以歸結(jié)為三大類：聚合物,、金屬和陶瓷。高導(dǎo)熱陶瓷材料一般以氧化物,、氮化物,、碳化物、硼化物為主,。

幾種高導(dǎo)熱陶瓷材料性能(來源：楊春萍.高強(qiáng)韌Si₃N₄導(dǎo)熱陶瓷制備及其組織性能調(diào)控)

PCD陶瓷

迄今為止,，金剛石是已知材料中熱導(dǎo)率最高的，其單晶體在常溫下熱導(dǎo)率理論值為1642W/(m·k),，實(shí)測(cè)值為2000W/(m·k),，并且其熱膨脹系數(shù)很低，具有良好的電絕緣性,，非常符合電子封裝材料的應(yīng)用要求,。

但金剛石大單晶難以制備，且價(jià)格昂貴,。聚晶金剛石燒結(jié)過程中往往需要加入助燒劑以促進(jìn)金剛石粉體之間的粘結(jié),，從而得到高導(dǎo)熱PCD陶瓷。但在高溫?zé)�結(jié)過程中,，助燒劑會(huì)催化金剛石粉碳化,，使聚晶金剛石不再絕緣。金剛石小單晶常被作為提高陶瓷熱導(dǎo)率的增強(qiáng)材料添加到導(dǎo)熱陶瓷中,，以起到提高陶瓷導(dǎo)熱率的作用,。

Si₃N₄陶瓷

傳統(tǒng)觀點(diǎn)曾經(jīng)認(rèn)為Si₃N₄導(dǎo)熱率很低，直至1995年Haggerty根據(jù)經(jīng)典固體傳輸理論計(jì)算得到Si₃N₄晶體理論熱導(dǎo)率可以高達(dá)320 W/(m·k),。其后Hirosaki等通過分子動(dòng)力學(xué)的方法計(jì)算出α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的理論熱導(dǎo)率,，發(fā)現(xiàn)Si₃N₄的熱導(dǎo)率沿a軸和c軸具有取向性，其中α-Si₃N₄單晶體沿a軸和c軸的理論熱導(dǎo)率分別為105W /( m·K) ,、225 W /( m·K) ; β-Si₃N₄單晶體沿a軸和c軸方向的理論熱導(dǎo)率分別是170 W /( m·K) ,、450 W /( m·K),，從而開啟了Si₃N₄作為高導(dǎo)熱基片的研究和應(yīng)用熱潮。

目前商用Si₃N₄基片熱導(dǎo)率一般在60～90 W /( m·K),，抗彎強(qiáng)度600～700 MPa,。隨著混合電動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的發(fā)展，Si₃N₄陶瓷基片以其優(yōu)異的綜合性能,，年需求量呈逐年上升趨勢(shì),。另外，Si₃N₄基片熱膨脹系數(shù)小,，無論是目前的Si基半導(dǎo)體材料,，還是第三代半導(dǎo)體材料SiC、GaNs等,，Si₃N₄基片均與之具有良好的匹配性,。但是高導(dǎo)熱Si₃N₄陶瓷對(duì)原料要求較高，制備工藝復(fù)雜,，制備成本較高,。

SiC陶瓷

20世紀(jì)80年代，日本日立技術(shù)發(fā)展中心研制出一種高絕緣和低膨脹性能,，熱導(dǎo)率高達(dá)270 W /( m·K)的SiC陶瓷基片,，代號(hào)為β-SC-101，膨脹系數(shù)3.7×10^-6/℃,，與Si的膨脹系數(shù)較為匹配,。

盡管SiC陶瓷具有較高的熱導(dǎo)率，但由于其表面能與界面能的比值低,，即晶界能較高,，因而很難通過常規(guī)方法燒結(jié)出高純致密的SiC陶瓷。采用常規(guī)的燒結(jié)方法時(shí),，必須添加助燒劑且燒結(jié)溫度必須達(dá)到2050℃以上，但這種燒結(jié)條件又會(huì)引起SiC晶粒長(zhǎng)大,，大幅降低SiC陶瓷的力學(xué)性能,。

Al₂O₃陶瓷

Al₂O₃陶瓷基板的主要成分是α-Al₂O₃，根據(jù)Al₂O₃含量不同可分為75瓷,、85瓷,、95瓷和99瓷等不同牌號(hào)。Al₂O₃陶瓷具有介電損耗低,、機(jī)械強(qiáng)度高,、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

Al₂O₃陶瓷是目前應(yīng)用技術(shù)最成熟,、應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的陶瓷基板材料,，但其室溫?zé)釋?dǎo)率偏低,，限制了在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。例如99瓷Al₂O₃熱導(dǎo)率僅為29W /( m·K),。而且Al₂O₃熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片材料差異較大,，在服役過程中容易積累熱應(yīng)力，導(dǎo)致芯片的失效概率增加,，使用壽命降低,。這些難以克服的缺點(diǎn)致使Al₂O₃陶瓷基板很難應(yīng)用在大功率半導(dǎo)體器件中。

AlN陶瓷

20世紀(jì)80年代初期,，日本是最早開展AlN陶瓷基板研發(fā)工作的國家,。1983 年研制出熱導(dǎo)率為95W /( m·K)的透明AlN陶瓷和260W /( m·K)的AlN陶瓷基板，1985年東芝,、日本電氣和日立等主要電子公司已廣泛應(yīng)用,。

AlN單晶的理論熱導(dǎo)率可以達(dá)到320W /( m·K)，但是由于燒結(jié)過程中不可避免的雜質(zhì)摻入和缺陷,，這些雜質(zhì)在AlN晶格中產(chǎn)生各種缺陷使聲子的平均自由度減小,，從而大幅降低其熱導(dǎo)率。此外,，晶粒尺寸,、形貌和晶界第二相的含量及分布對(duì)AlN陶瓷熱導(dǎo)率也有著重要影響。晶粒尺寸越大,，聲子平均自由度越大,，燒結(jié)出的AlN陶瓷熱導(dǎo)率就越高，但根據(jù)燒結(jié)理論,，晶粒越大,，聚晶體陶瓷越難燒結(jié)。

由于AlN是一種典型的共價(jià)合物,，具有很高的熔點(diǎn),，在燒結(jié)的過程中原子的自擴(kuò)散系數(shù)小、晶界能較高,，通常很難采用常規(guī)的燒結(jié)方法燒結(jié)出高純的AlN陶瓷,，必須添加助燒劑來促進(jìn)燒結(jié)。此外所添加的適當(dāng)?shù)闹鸁齽┻�可以與晶格中的氧發(fā)生反應(yīng),，生成第二相,，凈化AlN晶格，提高熱導(dǎo)率,。 

常見的AlN陶瓷助燒劑有：Y₂O₃,、CaCO₃、CaF₂,、YF₃等,。添加助燒劑燒結(jié)高導(dǎo)熱AlN陶瓷的方法目前已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中,，但是由于AlN陶瓷燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、燒結(jié)溫度高,、高品質(zhì)AlN粉價(jià)格貴等原因,，導(dǎo)致AlN陶瓷制作成本高， 此外AlN還有易吸潮,、易氧化等缺點(diǎn),。

BeO陶瓷

早在20世紀(jì)60年代，美國和日本等國家已研制成功多層BeO陶瓷基板材料,。1971年Slack和Austerman測(cè)試出BeO陶瓷和BeO大單晶的熱導(dǎo)率,，并且計(jì)算出BeO大單晶的熱導(dǎo)率最高可達(dá)到370W /( m·K)。目前制備出的BeO陶瓷的熱導(dǎo)率可達(dá)到280W /( m·K),，是Al2O3陶瓷的10倍,。

但BeO粉體有劇毒，若被人體吸入會(huì)導(dǎo)致急性肺炎,，長(zhǎng)期吸入對(duì)人的健康產(chǎn)生極其嚴(yán)重的危害,，因此BeO陶瓷已經(jīng)被逐步停止使用。

BN陶瓷

1842年,，BN在貝爾曼的實(shí)驗(yàn)室首次被發(fā)現(xiàn),，第二次世界大戰(zhàn)后國外對(duì)BN材料進(jìn)行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法后才發(fā)展起來的,。BN有5種異構(gòu)體,，分別是六方氮化硼（h-BN）、纖鋅礦氮化硼（w-BN）,、三方氮化硼（r-BN）,、立方氮化硼（c-BN）和斜方氮化硼（o-BN）。

h-BN是一種典型的III-V族化合物,，其晶體結(jié)構(gòu)與石墨極為相似,，俗稱“白石墨”，是導(dǎo)熱性能最好的陶瓷材料之一,，其面內(nèi)( 001面)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到180～200 W /( m·K),。同時(shí)，h-BN具有5.9eV的高能隙,，使其表現(xiàn)出優(yōu)異的絕緣性能，包括低相對(duì)介電常數(shù),、低介電損耗和高體積電阻率,。另外，h-BN熱膨脹系數(shù)極低,，能夠在高溫環(huán)境下維持形狀不發(fā)生變化,，是一種理想的導(dǎo)熱材料,。

c-BN與金剛石、SiC和GaN一起被稱為繼Si,、Ge及GaAs之后的第三代半導(dǎo)體材料,。它們的共同特點(diǎn)是帶隙寬，適用于制作在極端條件下使用的電子器件,。與SiC和GaN相比,，c-BN與金剛石有著更為優(yōu)異的性質(zhì)，如更寬的帶隙,、更高的遷移率,、更高的擊穿電場(chǎng)、更低的介電常數(shù)和更高的熱導(dǎo)率,。

參考來源：

董沅昌.高導(dǎo)熱材料的研究進(jìn)展

江期鳴等.高導(dǎo)熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與前景分析

李貴佳.借鑒日本專利技術(shù),，促進(jìn)國內(nèi)高導(dǎo)熱氮化硅基片產(chǎn)業(yè)化

楊春萍.高強(qiáng)韌Si₃N₄導(dǎo)熱陶瓷制備及其組織性能調(diào)控

廖圣俊等.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板研究現(xiàn)狀

王秀等.導(dǎo)熱氮化硼復(fù)合絕緣紙的制備與性能研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）

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