中國粉體網(wǎng)訊  隨著我國高鐵、航天、軍工等領域的快速發(fā)展，未來對大功率電力電子器件的需求也將越來越大。為了適應更加復雜、苛刻的應用條件，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，實現(xiàn)與外界的熱交換，所以制備高熱導率基板材料成為研發(fā)大功率模塊電子產(chǎn)品的關鍵所在。

中國科學院理化技術研究所

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、高導熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)、平整性和較高的強度等。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、復合材料等。主要應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、對金屬的化學惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學性能。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，氮化硅陶瓷熱導率不斷提高，目前已突破177W/(m·K)。

對于制備抗彎強度大且熱導率高的陶瓷基板來說，制備出高性能Si3N4粉體是獲得高導熱陶瓷基板的基礎。不僅需要純度高，而且還需要滿足低氧、超細、高α相等指標。因為這些指標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，從而影響熱導率和抗彎強度。

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化合物高溫材料的新技術。其原理是當反應物一旦被引燃，便會自動向尚未反應的區(qū)域傳播，直至反應完全。80年代初期，美國、日本及歐洲各工業(yè)發(fā)達國家都進行了SHS技術的研究與開發(fā)；我國在80年代中后期開始引進SHS技術。該方法具有以下優(yōu)點：

（1）合成產(chǎn)物純度高；

（2）反應周期以秒計，生產(chǎn)效率極高；

（3）設備相對簡單，投資少，通用性強；

（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性能和熱導率有極大影響，因此控制氮化鋁粉體中的β/α值是一項關鍵技術。

中國粉體網(wǎng)將在山東濟南舉辦第一屆半導體行業(yè)用陶瓷材料技術研討會，屆時，來自齊魯中科光物理與工程技術研究院研發(fā)負責人王良博士將帶來題為《高熱導基板用氮化硅陶瓷粉體的規(guī)模化燃燒合成技術及批量制備》的報告。報告人所在研究組自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”全方位的技術突破，實現(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)多方燒結驗證，與進口粉體燒成的Si3N4陶瓷制品在熱導率與抗彎強度方面基本相當，有望實現(xiàn)高端Si₃N₄陶瓷粉體的國產(chǎn)化替代。

據(jù)了解，報告所涉及的項目是濟南市政府引進的中科院理化所的項目，共建的單位為齊魯中科光物理與工程技術研究院。齊魯中科光物理與工程技術研究院主要開展激光、低溫及氫能源、新材料、生物醫(yī)藥等關鍵技術研發(fā)和科研成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、人才引進培養(yǎng)、高新技術企業(yè)孵化機引進等工作。

專家介紹：

王良，男，助理研究員，2021年于中國科學院理化技術研究所獲博士學位，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。

參考來源：

[1] 劉雄章等.高熱導率氮化硅散熱基板材料的研究進展

[2]鄭彧等.高純氮化硅粉合成研究進展

[3]張偉儒.第3代半導體碳化硅功率器件用高導熱氮化硅陶瓷基板最新進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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