氮化硅陶瓷具有優異的力學性能，用作結構材料得到了普遍關注。而一般氮化硅陶瓷的抗彎強度可超過1000MPa，然而其熱導率與氧化鋁陶瓷相近只20-30W/m?K，遠遠低于高熱導率氮化鋁陶瓷(180-260W/m?K)，加上其價格遠高于氧化鋁陶瓷，因此未能作為導熱材料得到普遍應用。

↑↑↑TOSHIBA高導熱氮化硅基板

九十年代中期Haggerty通過理論推導得出氮化硅的本征熱導率高達320W/m?K，與氮化鋁的本征熱導率(320W/m?K)相同。后來在2002年又有學者計算表明氮化硅的β-Si₃N₄的a軸和c軸的理論熱導率分別為170和450W/m?K，這為研制高熱導率氮化硅陶瓷提供了理論依據。

然而理論計算終歸理論計算，氮化硅要做成理論值是不太可能的，受限于陶瓷原料粉體的純度，燒結助劑，殘留氣孔，燒結工藝控制控制等元素，當前商業上可獲得的氮化硅襯底的熱導率僅僅約在80-100W/mK之間，以TOSHIBA氮化硅基板為例，其在室溫下的熱導率約為90W/m?K。除TOSHIBA以外，Rogerscorp，Kyocera，Maruwa，Coorstek，Denka等也有商業化的氮化硅基板產品。

商業化的氮化鋁基板及氮化硅基板與其他材料的熱傳導率見上圖左示例。對應材料的熱膨脹系數見上圖右。其中TAN-250,TAN230,TAN200是TOSHIBA三個不同牌號氮化鋁的產品，TSN-90是TOSHIBA氮化硅基板的參數。

從表面上看，僅具有90W/m?K熱導率的氮化硅襯底與具有170W/m?K熱導率的氮化鋁襯底相比，其散熱能力有點遜爆了。但是，由于氮化硅基板的機械強度是氮化鋁基板的兩倍以上（可以在滿足使用條件的情況下做的更薄），因此較薄的氮化硅基板（厚度為0.32mm）的熱阻幾乎等于較厚的氮化鋁基板的熱阻，即0.635mm。另外，氮化硅的較高彎曲強度使基板的最大偏轉增加到其他陶瓷基板的1.5倍以上，這意味著它們具有高的抗壓縮和抗沖擊性，在多次循環使用下依然性能穩定，可以輕松抵御極為惡劣的工作環境。

優秀如它，制備卻極難！

氮化硅基板的最大的賣點在于“機械強度大及導熱能力優秀同步了”。一般來說粗大β-Si₃N₄柱狀晶本身具有較高的熱導率但晶粒不慎異常長大的也會讓其綜合力學強度下降，使得氮化硅陶瓷熱導率升高的原因也會來不良影響，也這意味著熱導率和力學性能往往不可兼得。這是造成高熱導率氮化硅陶瓷的應用研究徘徊不前的主要原因。因此，在尋求高導熱氮化硅基板的制備的同時還需要權衡其力學性能是否能同步保持。

在早期的研究中，往往是采用高溫、高壓、長時間加熱工藝來實現氮化硅陶瓷基板的高導熱能力，但高溫長時間進行加熱處理會造成陶瓷晶粒異常長大、導致機械性能下降，其實際應用受到限制。

舉個例子：研究人員在原料中添加β-Si₃N₄種晶、并使之定向排列，經1800℃熱壓燒結后在2500℃熱等靜壓處理2小時在與β-Si₃N₄種晶平行的方向獲得了目前最高的熱導率155W/mK。

因此后期的研究大都轉向通過控制氮化硅晶粒中的氧含量和雜質含量；控制氮化硅原料粉體顆粒分布；在氮化硅粉末中添加β-Si₃N₄晶種；優化燒結助劑成分；使陶瓷晶界相再結晶等方法來提高氮化硅陶瓷的熱導率。其中優化燒結助劑一方面可以減少β-Si₃N₄晶粒中諸如空位、間隙原子、位錯、取代原子等晶格缺陷，減少聲子傳播障礙；另一方面可以使晶界相結晶化或者減小晶界厚度，從而減小晶界熱阻，被證明是提高氮化硅陶瓷熱導率的簡單易行的方法。參考文獻2有優化燒結助劑的方案，此處不再展開，有興趣的可以自己研究研究。

參考來源：

1.HighThermalConductivitySiliconNitrideSubstratesMayHelpAccelerateDevelopmentofCompact，High-PowerPowerPontrolUnits；TOSHIBA。

2.高熱導率氮化硅陶瓷材料及其制備方法，專利號CN101100388B。

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粉體圈 作者：小白