氮化硅陶瓷具有高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、比重低以及抗熱震等優(yōu)良性能，具有良好的發(fā)展前景。另外，氮化硅陶瓷具有比較高的理論熱導(dǎo)率，該特性使其被認(rèn)為是一種很有潛力的高速電路和大功率器件散熱和封裝材料。

高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備

原料粉體的選擇

氮化硅具有兩種晶型:α-Si₃N₄和β-Si₃N₄，高溫下α相為非穩(wěn)定態(tài)，易轉(zhuǎn)化為高溫穩(wěn)定的β相。研究發(fā)現(xiàn)隨氮化硅陶瓷中β相含量在40%-100%范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率呈線(xiàn)性增加，故高純?chǔ)孪嗍谦@得高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的關(guān)鍵因素。α-Si₃N₄和β-Si₃N₄粉都可作為制備β-Si₃N₄陶瓷的原料。

以α-Si₃N₄粉末作為原料，燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)溶解沉淀機(jī)制促進(jìn)α→β相變，其燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力較高，可得到高β相氮化硅陶瓷。而采用β相為原料可獲得純?chǔ)孪嗟杼沾桑錈Y(jié)過(guò)程中無(wú)相變，驅(qū)動(dòng)力較小，燒結(jié)相對(duì)較為困難，且由于Si₃N₄在1800℃以上易發(fā)生分解，為保證燒結(jié)致密，多采用氣壓燒結(jié)，以提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力及其分解溫度，故生產(chǎn)成本提高較多。

燒結(jié)助劑的選擇

氮化硅陶瓷屬于強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，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)的共晶熔液，利用液相燒結(jié)機(jī)理實(shí)現(xiàn)致密化。然而，燒結(jié)助劑所形成的晶界相自身的熱導(dǎo)率較低，對(duì)氮化硅陶瓷熱導(dǎo)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(huì)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(duì)聲子傳熱產(chǎn)生阻礙，從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)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(dǎo)率的關(guān)鍵途徑。

氧化物類(lèi)燒結(jié)助劑是氮化硅陶瓷常用的燒結(jié)助劑體系，最常見(jiàn)的為金屬氧化物和稀土氧化物的組合，Y₂O₃-MgO體系的燒結(jié)助劑是高導(dǎo)熱氮化硅材料應(yīng)用比較廣泛的燒結(jié)助劑體系，此外，Yb₂O₃也是一種常見(jiàn)的稀土氧化物燒結(jié)助劑。除常用的氧化物燒結(jié)助劑外，近年來(lái)，制備氮化硅陶瓷，特別是高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的一個(gè)研究熱點(diǎn)是對(duì)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(shì)在于可以減少額外引入的氧，這對(duì)于凈化氮化硅晶格，減少晶界玻璃相，提高熱導(dǎo)率及高溫性能具有重要的意義。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(dá)到降低晶格含氧量，提高熱導(dǎo)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(wèn)題。因此目前非氧化物燒結(jié)助劑在高導(dǎo)熱氮化硅材料批量化制備方面還沒(méi)有廣泛的應(yīng)用。

燒結(jié)方式的選擇

目前，氮化硅陶瓷燒結(jié)主要使用的燒結(jié)方法有熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等。這些燒結(jié)方式在氮化硅陶瓷的燒結(jié)中各有優(yōu)勢(shì)。放電等離子燒結(jié)方式速度很快，從燒結(jié)冷卻大約只要1個(gè)小時(shí)左右，十分適合快速燒結(jié)，有利于研究陶瓷的燒結(jié)特性；氣壓燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于燒結(jié)成本較低，并且能夠制備形狀較為復(fù)雜的產(chǎn)品，使生產(chǎn)能夠批量化進(jìn)行。對(duì)于熱壓燒結(jié)方式來(lái)說(shuō)，這種燒結(jié)方式由于外加機(jī)械加壓的原因，使燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力得到了絕大的提高，對(duì)于難以燒結(jié)的共價(jià)化合物陶瓷來(lái)說(shuō)是一種十分有效的致密化燒結(jié)技術(shù)。

氣壓燒結(jié)爐（頂立科技）

氮化硅陶瓷在電子封裝基板中的應(yīng)用

現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展異常迅速，電子系統(tǒng)及設(shè)備向大規(guī)模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發(fā)展。電子系統(tǒng)集成度的提高將導(dǎo)致功率密度升高，以及電子元件和系統(tǒng)整體工作產(chǎn)生的熱量增加，因此，有效的電子封裝必須解決電子系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，電子封裝內(nèi)基板材料的導(dǎo)熱性能則是影響整個(gè)電子系統(tǒng)散熱的關(guān)鍵。氮化硅陶瓷是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，單晶氮化硅的理論熱導(dǎo)率可達(dá)400W/(m·k)，具有成為高導(dǎo)熱基片的潛力。此外Si₃N₄的熱膨脹系數(shù)為3.0×10^-6/℃左右，與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好，這使Si₃N₄成為一種極具吸引力的高強(qiáng)高導(dǎo)熱的電子器件基板材料。

相比于其他陶瓷材料來(lái)說(shuō)，氮化硅陶瓷具有許多優(yōu)異的特性，比如具有較高的理論熱導(dǎo)率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性能、無(wú)毒、較高的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性等。目前關(guān)于高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的研究報(bào)道中，熱導(dǎo)率最高可達(dá)到177W·m^-1·K^-1，并且力學(xué)性能也較為優(yōu)異（抗彎強(qiáng)度達(dá)到了460MPa，斷裂韌性達(dá)到了11.2MPa·m^1/2），這些特性使其被認(rèn)為是一種很有潛力的高速電路和大功率器件的散熱封裝材料。Si₃N₄陶瓷基片廣闊的市場(chǎng)前景引起了國(guó)際陶瓷企業(yè)的高度重視，目前，國(guó)際上高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板主要的供應(yīng)商有美國(guó)羅杰斯公司和日本東芝公司，其生產(chǎn)的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率均能達(dá)到90W·m^-1·K^-1，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性也分別能達(dá)到650MPa和6.5MPa·m^1/2。

參考資料：
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吳慶豐、胡豐等.高性能氮化硅陶瓷的制備與應(yīng)用新進(jìn)展

徐鵬、楊建等.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷制備的研究進(jìn)展

鄭彧、童亞琦等.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀

張偉儒、高崇等.氮化硅：未來(lái)陶瓷基片材料的發(fā)展趨勢(shì)


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