中國粉體網(wǎng)訊 在熱管理領域，陶瓷材料由于普遍具有較高的導熱系數(shù)，一直是熱門材料，目前最火的應用有熱界面材料中的陶瓷導熱填料以及陶瓷基板。令人不解的是，碳化硅作為應用最廣泛的陶瓷材料之一，明明擁有很高的熱導率，卻并沒有在導熱填料和散熱基板領域實現(xiàn)廣泛的應用，而氮化鋁、氮化硅、氧化鋁、氮化硼等陶瓷材料卻混的風生水起。
01.碳化硅有很高的導熱性能
SiC晶體的主要結構基本單元是Si原子和C原子通過sp3 共價鍵結合在一起形成的正四面體。這些原子堆積成兩個主配位四面體SiC4 和CSi4 結構，其中四個C或Si原子連接到一個中心Si或C原子上。這些四面體通過其角連接緊密堆積形成的結構稱為多型體，其在平行堆積平面的維度上的堆積順序相似，但在垂直堆積平面的維度上的堆疊順序則有所不同。典型的SiC多型體結構有3C、4H、6H和15R-SiC等（其中數(shù)字表示多型體結構的層數(shù)，字母表示晶格的對稱性，如C：立方體；H：六角形；R：菱面體）。
3C-SiC與4H、6H-SiC的性能參數(shù)
碳化硅的晶體結構賦予了其特殊的物理性質和熱學性質，其理論導熱率可以達到490W•m−1•K−1，在非金屬材料中已屬佼佼者。國外伊利諾伊大學的研究人員發(fā)現(xiàn)立方碳化硅(3C-SiC)塊狀晶體的導熱系數(shù)僅次于金剛石單晶。
即便達不到單晶490W/（m·K）的導熱上限，碳化硅顆粒作為導熱填料熱導率也能達到80~120W/（m·K），碳化硅陶瓷的熱導率最高也能達到270W/（m·K），從導熱系數(shù)看，其導熱性能完全滿足要求甚至是領先其他的陶瓷材料，那究竟因為什么而較少用于導熱填料和散熱基板方面呢？
02.導熱填料方面，都是它惹的禍！
我們知道熱界面材料主要是一類聚合物復合材料，以聚合物為基體，與高導熱填料共混形成，由于聚合物的熱導率很低，所以復合材料導熱率的提升主要依靠導熱填料的作用。
需要注意的是，絕緣材料中引入無機粒子會嚴重改變材料的電阻和擊穿強度。無機粒子與材料本體之間的電導率和介電常數(shù)相差越大，高導熱絕緣材料在應用過程中內部電場畸變越強烈，電場高度集中致使材料擊穿強度降低。因此，制備高導熱復合絕緣材料時，應當選取電絕緣性能優(yōu)良、低介電常數(shù)和低損耗的與聚合物本體電學性能相近的無機粒子作為導熱填料。
常用陶瓷材料性能
SiC的介電性能較差，采用SiC作為導熱填料不可避免會導致復合材料介電性能的弱化，因而在高絕緣聚合物復合材料中的應用受到了一定的限制。
當前，氧化鋁、氮化鋁、氮化硼是主要的陶瓷填料。
雖然與其他顆粒相比，氧化鋁本征熱導率較低，但其具有較低的成本仍得到了廣泛的研究與應用。
與其他導熱絕緣填料相比，氮化鋁粒子由于具有高導熱系數(shù)（理論熱導率為320W/（m·K））、高電阻率（電阻率大于1014Ω·ｍ）、較低的介電常數(shù)和介電損耗、低熱膨脹系數(shù)（4.4×10-6Ｋ-1，與硅相近）和無毒等一系列優(yōu)良特性而受到廣泛研究，成為導熱復合材料的的理想填料。
六方氮化硼
六方氮化硼是目前最受關注的陶瓷填料，它擁有類似于石墨的層狀結構，不僅熱導率較高，而且擁有優(yōu)異的絕緣性能（介電常數(shù)約為4.0，電阻率約為1015Ω·cm），是目前為止最理想的絕緣導熱填料。
03.陶瓷基板方面，還是它惹的禍！
陶瓷材料本身具有熱導率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前已在半導體照明、激光與光通信、航空航天、汽車電子、深海鉆探等領域得到廣泛應用。
作為封裝基板，要求陶瓷基片材料具有如下性能：
(1)熱導率高，滿足器件散熱需求；
(2)耐熱性好，滿足功率器件高溫(大于200°C)應用需求；
(3)熱膨脹系數(shù)匹配，與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配，降低封裝熱應力；
(4)介電常數(shù)小，高頻特性好，降低器件信號傳輸時間，提高信號傳輸速率；
(5)機械強度高，滿足器件封裝與應用過程中力學性能要求；
(6)耐腐蝕性好，能夠耐受強酸、強堿、沸水、有機溶液等侵蝕；
(7)結構致密，滿足電子器件氣密封裝需求；
(8)其他性能要求，如對于光電器件應用，還對陶瓷基片材料顏色、反光率等提出了要求。
碳化硅基片
看得出來，像導熱填料一樣，陶瓷基板同樣對材料的介電性能有一定的要求，相對于其它陶瓷材料而言，碳化硅陶瓷相對介電常數(shù)為40，是AlN陶瓷的4倍，會導致信號延遲，影響產(chǎn)品的可靠性，限制了其高頻應用。此外，其不良的絕緣耐壓性也阻礙了其在散熱基板領域的應用。
陶瓷基板的性能參數(shù)
目前，常用電子封裝陶瓷基板材料包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹?shù)取?/p>
氧化鋁陶瓷因價格較低、穩(wěn)定性好、絕緣性和機械性能較好，而且工藝技術純熟，是目前應用最為廣泛的一種陶瓷基板材料，但是Al2O3陶瓷的熱導率較低。
BeO陶瓷是目前較為常用的高導熱陶瓷基板材料，綜合性能良好，能夠滿足較高的電子封裝要求，但是BeO粉末有劇毒，大量吸入人體后將導致急性肺炎，長期吸入會引起慢性鈹肺病，這大大限制了它的應用。
相比之下，氮化鋁陶瓷的各項性能優(yōu)異，尤其是高熱導率的特點，其理論熱導率可達320W/（m·K），其商用產(chǎn)品熱導率一般為180W/（m·K）~260W/（m·K），使其能夠用于高功率、高引線和大尺寸芯片封裝基板材料。
與其他陶瓷材料相比，Si3N4陶瓷材料具有明顯的綜合優(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)勢是目前綜合性能最好的陶瓷基板材料。
小結
話又說回來，碳化硅只是在導熱填料和散熱基板方面應用相對較少，在其它導熱領域仍能呼風喚雨，例如：在高溫領域，依靠優(yōu)異的高溫物理特性，碳化硅陶瓷可用于工業(yè)窯爐的橫梁、輥棒等，在承擔結構支撐的同時，憑借其良好的導熱性能還能使窯爐更加節(jié)能；在加熱與熱交換工業(yè)領域，碳化硅陶瓷可用于噴火嘴，換熱器等。
參考來源：
[1]江漢文等.碳化硅在導熱材料中的應用及其最新研究進展
[2]楊達偉等.熱界面用導熱絕緣陶瓷填料的研究進展
[3]程浩等.電子封裝陶瓷基板
[4]杜伯學等.高導熱聚合物基復合材料研究進展
[5]中國粉體網(wǎng)
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