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高導熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀


來源:中國粉體   胡一

[導讀]  近年來,半導體器件沿著大功率化、高頻化、集成化的方向迅猛發(fā)展。半導體器件工作產(chǎn)生的熱量是引起半導體器件失效的關鍵因素,而絕緣基板的導熱性是影響整體半導體器件散熱的關鍵。

中國粉體網(wǎng)訊  近年來,半導體器件沿著大功率化、高頻化、集成化的方向迅猛發(fā)展。半導體器件工作產(chǎn)生的熱量是引起半導體器件失效的關鍵因素,而絕緣基板的導熱性是影響整體半導體器件散熱的關鍵。


此外,在電動汽車、高鐵等領域,半導體器件使用過程中往往要面臨顛簸、震動等復雜的力學環(huán)境,這對所用材料的力學可靠性提出了嚴苛的要求。氮化硅(Si3N4)陶瓷是綜合性能最好的結(jié)構陶瓷材料。


一、Si3N4陶瓷及其性能特點


Si3N4具有3種結(jié)晶結(jié)構,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。Si3N4陶瓷具有硬度大、強度高、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、對金屬的化學惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學性能。



三種陶瓷基板材料物理力學性能對比


從表中可以看出,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陶瓷具有其他二者無法比擬的優(yōu)勢。


二、高導熱氮化硅陶瓷材料的研究進展


1、原料粉體的影響


原料粉體是影響陶瓷物理、力學性能的關鍵因素,特別是對于高導熱氮化硅陶瓷,原料粉體的純度、粒度、物相會對氮化硅的熱導率、力學性能產(chǎn)生重要影響。由于氮化硅的傳熱機制為聲子傳熱,當晶格完整無缺陷時,聲子的平均自由程越大,熱導率越高,而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯等結(jié)構缺陷,顯著地降低了聲子的平均自由程,導致熱導率降低。


因此降低晶格氧含量是提高氮化硅熱導率的關鍵,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到的。


2、燒結(jié)助劑的影響


氮化硅屬于強共價鍵化合物,依靠固相擴散很難燒結(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,形成低熔點的共晶熔液,利用液相燒結(jié)機理實現(xiàn)致密化。


然而,燒結(jié)助劑所形成的晶界相自身的熱導率較低,對氮化硅陶瓷熱導率具有不利影響,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率的關鍵途徑。


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,熱導率及強度普遍較低,但硬度較高。事實上Y2O3-MgO體系的燒結(jié)助劑是高導熱氮化硅材料應用比較廣泛的燒結(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,特別是高導熱氮化硅陶瓷的一個研究熱點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,提高熱導率及高溫力學性能具有重要意義。


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)良的機械性能和良好的導熱性能,如采用LaCl3-La2O3-MgO復合燒結(jié)助劑的氮化硅陶瓷熱導率可達78W·m-1·K-1,抗彎強度可達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,以達到降低晶格氧含量,提高熱導率的目的。


總之,非氧化物燒結(jié)助劑的使用可以降低氮化硅晶格氧,達到凈化晶格,提高熱導率的目的。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)助劑在高導熱氮化硅材料批量化制備方面還沒有廣泛的應用。


部分資料來源于  鄭彧《高導熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀》等

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作者:胡一

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