中國粉體網(wǎng)訊  隨著我國高鐵、航天,、軍工等領(lǐng)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(yīng)更加復(fù)雜,、苛刻的應(yīng)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(yán)峻的挑戰(zhàn),，而功率器件中基板的作用是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳到熱沉上,，實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換,，所以制備高熱導(dǎo)率基板材料成為研發(fā)大功率模塊電子產(chǎn)品的關(guān)鍵所在,。

中國科學(xué)院理化技術(shù)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(dǎo)熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)、平整性和較高的強(qiáng)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(fù)合材料等,。主要應(yīng)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(xué)惰性,、超高的硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能。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(dǎo)率不斷提高,，目前已突破177W/(m·K),。

對于制備抗彎強(qiáng)度大且熱導(dǎo)率高的陶瓷基板來說，制備出高性能Si3N4粉體是獲得高導(dǎo)熱陶瓷基板的基礎(chǔ),。不僅需要純度高,，而且還需要滿足低氧、超細(xì),、高α相等指標(biāo),。因?yàn)檫@些指標(biāo)都會直接決定陶瓷基板中的缺陷(晶格氧、氣孔),、雜質(zhì)以及晶界尺寸,，從而影響熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)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(jī)化合物高溫材料的新技術(shù),。其原理是當(dāng)反應(yīng)物一旦被引燃，便會自動向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播,，直至反應(yīng)完全,。80年代初期，美國,、日本及歐洲各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都進(jìn)行了SHS技術(shù)的研究與開發(fā),；我國在80年代中后期開始引進(jìn)SHS技術(shù)。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）合成產(chǎn)物純度高,；

（2）反應(yīng)周期以秒計(jì),，生產(chǎn)效率極高；

（3）設(shè)備相對簡單,，投資少,，通用性強(qiáng)；

（4）無污染等,。

此外,，自蔓延高溫合成產(chǎn)物往往保持在亞穩(wěn)狀態(tài)，產(chǎn)物更加活潑,，這對所合成陶瓷粉體的燒結(jié)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(xué)性能和熱導(dǎo)率有極大影響，因此控制氮化鋁粉體中的β/α值是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),。

中國粉體網(wǎng)將在山東濟(jì)南舉辦第一屆半導(dǎo)體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會,，屆時，來自齊魯中科光物理與工程技術(shù)研究院研發(fā)負(fù)責(zé)人王良博士將帶來題為《高熱導(dǎo)基板用氮化硅陶瓷粉體的規(guī)�,；�燃燒合成技術(shù)及批量制備》的報(bào)告,。報(bào)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(zhì)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(yīng)過程調(diào)控智能化以及工藝產(chǎn)品穩(wěn)定化”全方位的技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了可控的α/β比以及高一致性粉體的批量生產(chǎn)。所制備的粉體經(jīng)多方燒結(jié)驗(yàn)證,，與進(jìn)口粉體燒成的Si3N4陶瓷制品在熱導(dǎo)率與抗彎強(qiáng)度方面基本相當(dāng),，有望實(shí)現(xiàn)高端Si₃N₄陶瓷粉體的國產(chǎn)化替代。

據(jù)了解,，報(bào)告所涉及的項(xiàng)目是濟(jì)南市政府引進(jìn)的中科院理化所的項(xiàng)目,，共建的單位為齊魯中科光物理與工程技術(shù)研究院。齊魯中科光物理與工程技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和科研成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化,、人才引進(jìn)培養(yǎng),、高新技術(shù)企業(yè)孵化機(jī)引進(jìn)等工作。

專家介紹：

王良,，男,，助理研究員,，2021年于中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所獲博士學(xué)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(xiàng),。

參考來源：

[1] 劉雄章等.高熱導(dǎo)率氮化硅散熱基板材料的研究進(jìn)展

[2]鄭彧等.高純氮化硅粉合成研究進(jìn)展

[3]張偉儒.第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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