中國粉體網(wǎng)訊  隨著我國高鐵,、航天、軍工等領域的快速發(fā)展,，未來對大功率電力電子器件的需求也將越來越大,。為了適應更加復雜,、苛刻的應用條件,，大功率電力電子器件朝著高溫、高頻,、低功耗以及智能化,、模塊化,、系統(tǒng)化方向發(fā)展，這對整個電子器件的散熱提出了嚴峻的挑戰(zhàn),，而功率器件中基板的作用是吸收芯片產生的熱量,，并傳到熱沉上，實現(xiàn)與外界的熱交換,，所以制備高熱導率基板材料成為研發(fā)大功率模塊電子產品的關鍵所在,。

中國科學院理化技術研究所

大功率散熱基板材料要求具有低成本,、高電絕緣性、高穩(wěn)定性,、高導熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE),、平整性和較高的強度等。為了滿足這些要求,，人們將目光投向了金屬氧化物,、陶瓷、聚合物,、復合材料等,。主要應用的散熱基板材料有Al₂O₃,、AlN,、BeO、SiC,、BN,、Si等。

3種陶瓷基板材料性能對比

與其他陶瓷材料相比,，Si₃N₄陶瓷材料具有明顯優(yōu)勢,，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、對金屬的化學惰性,、超高的硬度和斷裂韌性等力學性能,。Si₃N₄陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性都可達到AlN的２倍以上,，特別是在材料可靠性上,，Si₃N₄陶瓷基板具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢。目前,，通過工藝優(yōu)化,，氮化硅陶瓷熱導率不斷提高，目前已突破177W/(m·K),。

對于制備抗彎強度大且熱導率高的陶瓷基板來說,，制備出高性能Si3N4粉體是獲得高導熱陶瓷基板的基礎。不僅需要純度高,，而且還需要滿足低氧,、超細、高α相等指標,。因為這些指標都會直接決定陶瓷基板中的缺陷(晶格氧,、氣孔)、雜質以及晶界尺寸,，從而影響熱導率和抗彎強度,。

Si₃N₄粉體有很多制備方法,，常見的有直接氮化法、碳熱還原法,、氣相法和自蔓延法高溫合成法,。自蔓延高溫合成(SHS)又稱燃燒合成法，是近年來興起的一種制備無機化合物高溫材料的新技術,。其原理是當反應物一旦被引燃,，便會自動向尚未反應的區(qū)域傳播，直至反應完全,。80年代初期,，美國、日本及歐洲各工業(yè)發(fā)達國家都進行了SHS技術的研究與開發(fā),；我國在80年代中后期開始引進SHS技術,。該方法具有以下優(yōu)點：

（1）合成產物純度高；

（2）反應周期以秒計,，生產效率極高,；

（3）設備相對簡單，投資少,，通用性強,；

（4）無污染等。

此外,，自蔓延高溫合成產物往往保持在亞穩(wěn)狀態(tài),，產物更加活潑，這對所合成陶瓷粉體的燒結性能是十分重要的,。

需要注意的是,，自蔓延高溫合成氮化硅時，氮化硅存在α和β兩種晶體相,，β/α的值會對最終陶瓷基板的力學性能和熱導率有極大影響,，因此控制氮化鋁粉體中的β/α值是一項關鍵技術。

中國粉體網(wǎng)將在山東濟南舉辦第一屆半導體行業(yè)用陶瓷材料技術研討會,，屆時,，來自齊魯中科光物理與工程技術研究院研發(fā)負責人王良博士將帶來題為《高熱導基板用氮化硅陶瓷粉體的規(guī)模化燃燒合成技術及批量制備》的報告,。報告人所在研究組自2002年成立以來,，一直致力于燃燒合成高品質Si3N4陶瓷粉體材料的理論和工藝研究，先后取得了“燃燒合成裝備大型化,、燃燒反應過程調控智能化以及工藝產品穩(wěn)定化”全方位的技術突破,，實現(xiàn)了可控的α/β比以及高一致性粉體的批量生產。所制備的粉體經多方燒結驗證,，與進口粉體燒成的Si3N4陶瓷制品在熱導率與抗彎強度方面基本相當,，有望實現(xiàn)高端Si₃N₄陶瓷粉體的國產化替代,。

據(jù)了解，報告所涉及的項目是濟南市政府引進的中科院理化所的項目,，共建的單位為齊魯中科光物理與工程技術研究院,。齊魯中科光物理與工程技術研究院主要開展激光、低溫及氫能源,、新材料,、生物醫(yī)藥等關鍵技術研發(fā)和科研成果轉移轉化、人才引進培養(yǎng),、高新技術企業(yè)孵化機引進等工作,。

專家介紹：

王良，男,，助理研究員,，2021年于中國科學院理化技術研究所獲博士學位，主要從事氮化硅陶瓷材料的制備研究,，發(fā)表SCI論文6篇,，撰寫專利5項。

參考來源：

[1] 劉雄章等.高熱導率氮化硅散熱基板材料的研究進展

[2]鄭彧等.高純氮化硅粉合成研究進展

[3]張偉儒.第3代半導體碳化硅功率器件用高導熱氮化硅陶瓷基板最新進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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