中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近年來(lái)，半導(dǎo)體器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發(fā)展。大功率半導(dǎo)體器件在風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車、LED照明等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。由于任何半導(dǎo)體器件在工作時(shí)都有一定的損耗，且大部分損耗都已熱量形式揮散，并引起一定的器件失效事件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由熱引起的器件失效高達(dá)55%。

研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料具有更優(yōu)異的導(dǎo)熱性及力學(xué)性能，并具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，是高端半導(dǎo)體器件，特別是大功率半導(dǎo)體器件基片的最佳材料。研究發(fā)現(xiàn)，基片材料應(yīng)具有以下性能：①良好的絕緣性和抗電擊穿能力；②高的熱導(dǎo)率：導(dǎo)熱性直接影響半導(dǎo)體器件的運(yùn)行狀況和使用壽命，散熱性差導(dǎo)致的溫度場(chǎng)分布不均勻也會(huì)使電子器件噪聲大大增加；③熱膨脹系數(shù)與封裝內(nèi)其他所用材料匹配；④良好的高頻特性：即低的介電常數(shù)和低的介質(zhì)損耗；⑤表面光滑，厚度一致：便于在基片表面印刷電路，并確保印刷電路的厚度均勻。

半導(dǎo)體器件用陶瓷基片材料之氮化硅

目前常用的基片材料主要包括：陶瓷基片、玻璃陶瓷基片、金剛石、樹脂基片、硅（Si）基片以及金屬或金屬基復(fù)合材料等。

目前已經(jīng)投入生產(chǎn)的應(yīng)用的陶瓷基片材料主要包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al₂O₃）和氮化鋁（AlN）等。隨著半導(dǎo)體器件向大功率化、高頻化的不斷發(fā)展，對(duì)陶瓷絕緣基片的導(dǎo)熱性和力學(xué)性能都提出了更高的要求。目前，氮化硅是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)兼具高導(dǎo)熱高可靠性的最具應(yīng)用前景的陶瓷基板材料。單晶氮化硅的理論熱導(dǎo)率可達(dá)400Ｗ•ｍ^-1•Ｋ^-1以上，具有成為高導(dǎo)熱基片的潛力。

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)，可在常壓下制備。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、與用油潤(rùn)滑的金屬表面相似等諸多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。

三種陶瓷基板材料物理力學(xué)性能對(duì)比

高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷材料的影響因素

★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(duì)于高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷，原料粉體的純度、粒度物相會(huì)對(duì)氮化硅的熱導(dǎo)率、力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。

★燒結(jié)助劑的影響

氮化硅屬于強(qiáng)共價(jià)建化合物，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(guò)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)的共晶溶液，利用液相燒結(jié)機(jī)理實(shí)現(xiàn)致密化。需要注意的是并不是所有的燒結(jié)助劑的加入都能起到很好的燒結(jié)效果。對(duì)癥下藥才是王道，選擇合適的燒結(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。燒結(jié)助劑按氧化物類大致分為氧化物類燒結(jié)助劑和非氧化物燒結(jié)助劑。其下又分為稀土氧化物燒結(jié)助劑（Y₂O₃、CeO和La₂O₃、Yb₂O₃）和CaO、MgO燒結(jié)助劑。

2020年10月29-30日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在無(wú)錫舉辦“2020第三屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時(shí)，來(lái)自北京中材人工晶體研究院有限公司的鄭彧高工帶來(lái)題為《高導(dǎo)熱氮化硅基板關(guān)鍵技術(shù)及研發(fā)進(jìn)展》的報(bào)告，屆時(shí)，鄭彧高工將從材料性能、原料、成型、燒結(jié)等角度全面系統(tǒng)闡述高導(dǎo)熱氮化硅基板制備關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其未來(lái)前景進(jìn)行展望。

專家介紹

鄭彧，北京中材人工晶體研究院有限公司，高級(jí)工程師。畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，獲材料學(xué)博士學(xué)位。長(zhǎng)期從事高性能氮化硅陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料等方向的研究工作。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、北京市科技計(jì)劃、國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)等多項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目，并參與多項(xiàng)國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目等重大科研項(xiàng)目。以第一作者或通訊作者身份發(fā)表論文近30篇，其中SCI收錄論文10余篇，申報(bào)發(fā)明專利近10項(xiàng)。

參考資料：

張偉儒等.氮化硅：未來(lái)陶瓷基片材料的發(fā)展趨勢(shì)

鄭彧等.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀

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