中國粉體網(wǎng)訊  隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展,，電子設(shè)備向小型化、薄型化,、集成化,、大功率化、高頻化方向發(fā)展迅猛,，半導(dǎo)體功率模塊高度集成,，發(fā)熱量巨增，對設(shè)備散熱能力提出明確要求,，散熱性能也成為評價產(chǎn)品壽命和可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。作為負(fù)載半導(dǎo)體元件的陶瓷絕緣基片,，其導(dǎo)熱系數(shù)是影響設(shè)備散熱能力的主要性能,。

陶瓷基板前三名

目前常用陶瓷絕緣基片材料包括氧化鋁、氮化鋁和氮化硅三種,，以下三種陶瓷基板的性能對比,。

1）氧化鋁陶瓷（Al₂O₃）

優(yōu)點：低介電損耗、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良,、機(jī)械強(qiáng)度較高,。

缺點：熱傳導(dǎo)率相對較低，無法滿足日益發(fā)展的集成電路電子元器件的需求,。

2）氮化鋁陶瓷（AlN）

優(yōu)點：熱導(dǎo)率高,，是氧化鋁陶瓷的8倍；優(yōu)良的絕緣性,。

缺點：力學(xué)性能差,，屬于高強(qiáng)度的硬脆材料，在復(fù)雜服役環(huán)境下,，容易損壞,，導(dǎo)致成本增加；生產(chǎn)成本高，粉體運輸存在一定的困難,。

3）氮化硅陶瓷（Si₃N₄）

優(yōu)點：高強(qiáng)度,、高硬度、高電阻率,、良好的抗熱震性,、低介電損耗和低膨脹系數(shù)。

缺點：氮化硅陶瓷實際熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論熱導(dǎo)率的值,，很難同時滿足熱導(dǎo)率及力學(xué)性能要求,，一些高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷(＞150W/(m·K))還處于實驗室階段。

高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板,，來源：中材高新

三種陶瓷基板對比下來,，氮化硅在綜合性能方面表現(xiàn)最優(yōu)，這無疑是一種非常理想的散熱性能良好的基板材料,。目前國內(nèi)市場上,，氧化鋁和氮化鋁陶瓷基片已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷作為商用電子器件的基板材料仍是一大難題,，只有國外的一些公司可以實現(xiàn)氮化硅陶瓷基板商業(yè)化,，那到底是什么因素阻礙了這么優(yōu)秀的的陶瓷基板發(fā)展呢？這就得從氮化硅獨特的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)說起,。

晶格氧對高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的影響

1,、影響原因

氮化硅是一種共價化合物，電子被束縛不能自由移動,，那么要實現(xiàn)熱傳導(dǎo),，唯一方式就是晶格振動。晶格振動以聲子輸運為主,，由于晶格振動的非線性,，晶格間有著一定的耦合作用聲子之間會發(fā)生碰撞，使聲子的平均自由程減小,。另外Si₃N₄晶體中的各種缺陷,、雜質(zhì)以及晶粒界面都會引起聲子散射，也等效于聲子平均自由程減小,，從而降低熱導(dǎo)率,。

氮化硅燒結(jié)體的典型微觀結(jié)構(gòu)

研究表明，在諸多晶格缺陷中,，晶格氧是影響氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的主要缺陷之一,。在燒結(jié)過程中，氮化硅粉中氧原子以二氧化硅的形式發(fā)生發(fā)生固溶反應(yīng)：

2SiO₂→2Si_Si+4ON+VSi

反應(yīng)中生成硅空位,，并且原子取代會使晶體產(chǎn)生一定的畸變,，這些會引起聲子的散射，從而降低Si₃N₄晶體的熱導(dǎo)率。為了解決晶格氧對氮化硅熱導(dǎo)率的影響,，Kita⁃yama等人通過熱氣抽提法測定了晶格的氧含量,，結(jié)果表明晶粒長大能有效降低晶格的氧含量，從而顯著提高熱導(dǎo)率,。而制備具有高熱導(dǎo)率的氮化硅陶瓷,，需要其具有大尺寸的晶粒，因此通過降低晶格氧含量來制得高熱導(dǎo)率的氮化硅顯得尤為關(guān)鍵,。

2,、降低晶格氧量的方法

（1）原料粉體選擇

從原料粉體上降低晶格氧目前有兩種方法：一種是直接使用氮化硅粉（α-Si₃N₄粉或β-Si₃N₄粉）進(jìn)行燒結(jié)；另一種是使用高純度的硅粉為原料,，經(jīng)過硅粉的氮化和重?zé)�結(jié)兩步工藝獲得高致密,、高導(dǎo)熱的氮化硅陶瓷。

α-Si₃N₄使用Si粉的直接氮化而制備的,，氧含量較高,，其制備的氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率較低，盡管可以采用SiCl₄與NH₃液相反應(yīng)生成的高純度,、低含氧量的α-Si₃N₄粉制備氮化硅陶瓷,，但是使用高純度原料會導(dǎo)致成本增加，不利于大規(guī)模生產(chǎn),。

β-Si₃N₄含氧量較低,，制備的氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率較高，但β-Si₃N₄的棒狀晶粒會阻礙晶粒重排,，導(dǎo)致燒結(jié)物難以致密,，燒結(jié)活性較差�,？赏ㄟ^使用特殊燒結(jié)方式和延長保溫時間來提高燒結(jié)活性，但是這樣也會增加技術(shù)難度和成本,。

隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展,，高純硅粉生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，采用Si粉為原料制得的樣品能達(dá)到很高的熱導(dǎo)率,，但是在研磨的過程中容易發(fā)生氧化,，而且實驗過程繁瑣，耗時較長,，不利于工業(yè)化生產(chǎn),。

（2）燒結(jié)劑的選擇

Si₃N₄屬于共價化合物，有著很小的自擴(kuò)散系數(shù),，在燒結(jié)過程中依靠自身擴(kuò)散很難形成致密化的晶體結(jié)構(gòu),，因此添加合適的燒結(jié)助劑和優(yōu)化燒結(jié)助劑配比能得到高熱導(dǎo)率的氮化硅陶瓷。目前氮化硅燒結(jié)劑種類很多，大致分為氧化物和非氧化物,、碳還原,。

A、氧化物燒結(jié)劑

研究表明,，燒結(jié)助劑MgO和Al₂O₃均可提高燒結(jié)性能,，不過由于Al₂O₃溶解到Si₃N₄晶粒中后會抑制晶粒生長，導(dǎo)致導(dǎo)熱性降低,，Al₂O₃燒結(jié)劑慘遭淘汰,。選擇粒度較大的MgO可提升氮化硅的熱導(dǎo)率。

摻雜不同粒度MgO的圖像分析

B,、非氧化物燒結(jié)劑

為了進(jìn)一步降低晶格氧含量,，提高氮氧比，常使用非氧化物燒結(jié)助劑來制備熱導(dǎo)率更高,、性能更加優(yōu)異的氮化硅陶瓷,。研究表明相比于氧化物燒結(jié)助劑，非氧化物燒結(jié)助劑能額外提供氮原子,，提高氮氧比,，促進(jìn)晶型轉(zhuǎn)變，還能還原SiO₂起到降低晶格氧含量,、減少晶界相的作用,。

C、碳的還原

碳被廣泛用作非氧化物陶瓷的燒結(jié)添加劑,，其主要作用是去除非氧化物粉末表面的氧化物雜質(zhì),。碳的加入使得氮化硅陶瓷中晶格氧的含量大幅降低，極大的提高了氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率,。且這種方法對于粉體含氧量和燒結(jié)助劑的要求不高,，且制備成本不高，隨著技術(shù)的發(fā)展,，該種辦法在實際工業(yè)化生產(chǎn)中有望得到廣泛應(yīng)用,。

小結(jié)

隨著以SiC為襯底的第3代半導(dǎo)體芯片在新能源汽車、5G,、新能源領(lǐng)域的快速推廣,，Si₃N₄陶瓷基板需求也迎來了快速發(fā)展階段。但晶格氧的含量導(dǎo)致氮化硅陶瓷的實際熱導(dǎo)率低于預(yù)期,。因此為了降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量是制備高導(dǎo)熱氮化硅基板的前提條件,。

參考來源：

陳波等：氮化硅陶瓷在四大領(lǐng)域的研究以及應(yīng)用進(jìn)展

廖圣俊等：高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板研究現(xiàn)狀

白云飛等：晶格氧對氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的影響

張創(chuàng)等：氮化硅陶瓷的研究與應(yīng)用發(fā)展

陶瓷基板：中材高新|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/空青）

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