2020-10-10 轉(zhuǎn)自：中國粉體

近年來，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，在電動汽車、高鐵等領(lǐng)域，半導(dǎo)體器件使用過程中往往要面臨顛簸、震動等復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，這對所用材料的力學(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，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。

 三種陶瓷基板材料物理力學(xué)性能對比

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法比擬的優(yōu)勢。

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，特別是對于高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷，原料粉體的純度、粒度、物相會對氮化硅的熱導(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)助劑稀土元素陽離子半徑的增大有減小的趨勢；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，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，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)勢在于可以減少額外引入的氧，這對于凈化氮化硅晶格，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有廣泛的應(yīng)用。

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

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