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(duì)設(shè)備散熱能力提出明確要求，散熱性能也成為評(píng)價(jià)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(duì)比。

1）氧化鋁陶瓷（Al₂O₃）

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

缺點(diǎn)：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(yùn)輸存在一定的困難。

3）氮化硅陶瓷（Si₃N₄）

優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：氮化硅陶瓷實(shí)際熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論熱導(dǎo)率的值，很難同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(chǎng)上，氧化鋁和氮化鋁陶瓷基片已經(jīng)實(shí)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(shí)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(dú)特的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)說起。

晶格氧對(duì)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(jià)化合物，電子被束縛不能自由移動(dòng)，那么要實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，唯一方式就是晶格振動(dòng)。晶格振動(dòng)以聲子輸運(yùn)為主，由于晶格振動(dòng)的非線性，晶格間有著一定的耦合作用聲子之間會(huì)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(huì)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(huì)使晶體產(chǎn)生一定的畸變，這些會(huì)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(duì)氮化硅熱導(dǎo)率的影響，Kita⁃yama等人通過熱氣抽提法測(cè)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(huì)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(huì)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(shí)間來提高燒結(jié)活性，但是這樣也會(huì)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(shí)驗(yàn)過程繁瑣，耗時(shí)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(jià)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(huì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)請(qǐng)告知?jiǎng)h除！