氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能，用作結(jié)構(gòu)材料得到了普遍關(guān)注。而一般氮化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度可超過1000MPa，然而其熱導(dǎo)率與氧化鋁陶瓷相近只20-30W/m?K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷(180-260W/m?K)，加上其價(jià)格遠(yuǎn)高于氧化鋁陶瓷，因此未能作為導(dǎo)熱材料得到普遍應(yīng)用。

↑↑↑TOSHIBA高導(dǎo)熱氮化硅基板

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

然而理論計(jì)算終歸理論計(jì)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(jié)助劑，殘留氣孔，燒結(jié)工藝控制控制等元素，當(dāng)前商業(yè)上可獲得的氮化硅襯底的熱導(dǎo)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(dǎo)率約為90W/m?K。除TOSHIBA以外，Rogerscorp，Kyocera，Maruwa，Coorstek，Denka等也有商業(yè)化的氮化硅基板產(chǎn)品。

商業(yè)化的氮化鋁基板及氮化硅基板與其他材料的熱傳導(dǎo)率見上圖左示例。對(duì)應(yīng)材料的熱膨脹系數(shù)見上圖右。其中TAN-250,TAN230,TAN200是TOSHIBA三個(gè)不同牌號(hào)氮化鋁的產(chǎn)品，TSN-90是TOSHIBA氮化硅基板的參數(shù)。

從表面上看，僅具有90W/m?K熱導(dǎo)率的氮化硅襯底與具有170W/m?K熱導(dǎo)率的氮化鋁襯底相比，其散熱能力有點(diǎn)遜爆了。但是，由于氮化硅基板的機(jī)械強(qiáng)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?。?，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(qiáng)度使基板的最大偏轉(zhuǎn)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(huán)使用下依然性能穩(wěn)定，可以輕松抵御極為惡劣的工作環(huán)境。

優(yōu)秀如它，制備卻極難！

氮化硅基板的最大的賣點(diǎn)在于“機(jī)械強(qiáng)度大及導(dǎo)熱能力優(yōu)秀同步了”。一般來說粗大β-Si₃N₄柱狀晶本身具有較高的熱導(dǎo)率但晶粒不慎異常長(zhǎng)大的也會(huì)讓其綜合力學(xué)強(qiáng)度下降，使得氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率升高的原因也會(huì)來不良影響，也這意味著熱導(dǎo)率和力學(xué)性能往往不可兼得。這是造成高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的應(yīng)用研究徘徊不前的主要原因。因此，在尋求高導(dǎo)熱氮化硅基板的制備的同時(shí)還需要權(quán)衡其力學(xué)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(zhǎng)時(shí)間加熱工藝來實(shí)現(xiàn)氮化硅陶瓷基板的高導(dǎo)熱能力，但高溫長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行加熱處理會(huì)造成陶瓷晶粒異常長(zhǎng)大、導(dǎo)致機(jī)械性能下降，其實(shí)際應(yīng)用受到限制。

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

因此后期的研究大都轉(zhuǎn)向通過控制氮化硅晶粒中的氧含量和雜質(zhì)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(yōu)化燒結(jié)助劑成分；使陶瓷晶界相再結(jié)晶等方法來提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。其中優(yōu)化燒結(jié)助劑一方面可以減少β-Si₃N₄晶粒中諸如空位、間隙原子、位錯(cuò)、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(jié)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(dǎo)率的簡(jiǎn)單易行的方法。參考文獻(xiàn)2有優(yōu)化燒結(jié)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(dǎo)率氮化硅陶瓷材料及其制備方法，專利號(hào)CN101100388B。

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粉體圈 作者：小白