β-Si₃N₄陶瓷具有潛在的高熱導率(200~320W·m^-1·K^-1)，在微波透過材料和高功率微電子封裝材料等領域展現了良好的應用前景。但要制備一塊導熱及機械能力都滿足要求的氮化硅基板是不易的。影響其熱導率的因素主要為晶界相物相及其含量、晶格內缺陷、晶粒尺寸以及微觀結構的各向異性等。

氮化硅基片（圖片來源：StellarIndustriesCorp）

當前，氮化硅陶瓷基板雖然性能比較強悍，也很符合當前電子信息科技的高功率化發展需求，但限于制備成本高昂及工藝難其應用也是有所限制。下文將圍繞氮化硅陶瓷基板材料制備工藝過程中最重視的熱導率及其影響因素最個小小的總結。

1、選取合適的原料很重要

氮化硅陶瓷兩種晶型：α-Si₃N₄和β-Si₃N₄，許多研究工作表明氮化硅陶瓷中β相含量在40-100%范圍內逐漸增大時，氮化硅陶瓷熱導率也呈線性增加，故高純的β相是獲得高導熱氮化硅陶瓷的關鍵因素。在原料的選取上，α-Si₃N₄和β-Si₃N₄粉都可作為制備氮化硅陶瓷的原料。

在高溫狀態下，β-Si₃N₄熱力學上更穩定，α-Si₃N₄會發生相變，轉為β-Si₃N₄。以α-Si₃N₄粉末作為原料，燒結過程中通過溶解沉淀機制促進α→β相變，其燒結驅動力較高，可制取細晶、長柱型β相含量高的氮化硅陶瓷產品，從而有利于氮化硅陶瓷的韌性提升。但需采用適當的手段控制顆粒的異常生長，以避免氣孔、裂紋、位錯缺陷的出現對制品力學性能造成的影響。

而采用β-Si₃N₄粉末為原料可獲得純β相氮化硅陶瓷，但其燒結過程中無相變，驅動力較小，燒結相對較為困難，且由于Si₃N₄在1800℃以上易發生分解，為保證燒結致密，多采用氣壓燒結，以提高燒結驅動力及其分解溫度，故生產成本提高較高。

2、燒結助劑的選擇

由于Si₃N₄是強共價化合物，擴散系數小，致密化所須的體積擴散速度較小，燒結較為困難，故一般在燒結過程中需添加一定量的燒結助劑與Si₃N₄粉體表面的SiO₂反應形成液相，通過溶解-析出機制使其致密。但氧化物燒結助劑的引入還會導致Si₃N₄晶格氧含量的提高，另外某些燒結助劑會固溶入Si₃N₄晶格形成固溶體，從而影響氮化硅陶瓷熱導率的提高。

目前對制備高導熱氮化硅選取燒結助劑的研究，多針對于Al₂O₃、MgO、MgSiN₂以及稀土氧化物(RE₂O₃，RE包括Sc，Y以及鑭系元素(Ln))等，其選擇多基于控制液相粘度，提高相轉變，防止固溶體的形成，降低晶格氧含量以及控制玻璃相組成和含量等幾方面。

3、引入β-Si₃N₄晶種

在Si₃N₄原料中引入尺寸較大的β-Si₃N₄晶種，可促進燒結過程中細小顆粒迅速溶解沉淀于β-Si₃N₄晶種上，提高晶粒生長的驅動力，促進β-Si₃N₄晶粒的生長，而晶粒的生長有利于晶界相逐漸排擠進入多晶交界處，減少晶界相在晶格中分布，從而提高熱導率。

另外，晶粒的生長過程中伴隨著不斷的溶解-沉淀過程，在該過程中多數雜質、缺陷亦可排除，可起到晶格的凈化作用，這也是熱導率得以提高的重要因素。在許多研究工作中都顯現了這個效果“與未添加晶種的氮化硅陶瓷相比，大尺寸晶粒明顯增多，說明晶種的引入促進了β-Si₃N₄晶粒的生長，從而引起了熱導率的提高”。

4、燒結及退火參數控制

許多研究工作均表明這樣的規律：在一定溫度范圍內，隨著燒結溫度的提高，晶粒尺寸也增大，發育越加完善。在較高的溫度下退火可進一步增大晶粒尺寸，促進晶粒發育。延長燒結保溫時間同樣可以促進Si₃N₄相轉變以及晶粒的發育。

因此，適度提高燒結和退火溫度，或延長燒結及退火時間都可使得氮化硅燒結中的溶解沉淀進程更為充分，促進氮化硅相轉變以及晶粒的生長發育；同時，也可使玻璃相發生析晶，降低玻璃相含量，這些都有助于熱導率的提高。

5、成型工藝

研究認為采用適當的成型方式可有效的控制晶粒排列、生長的定向性，從而可制備出某單一方向上熱導率較高的β-Si₃N₄陶瓷。而β-Si₃N₄的a軸和c軸的理論熱導率分別為170和450W/m?K，如何能讓高導熱的軸出現在材料應有想要的方向，那將是大有好處的。

許多研究表明，流延成型及熱壓成型利于Si₃N₄晶粒沿特定方向發生定向排列和生長，對于獲得某一特定方向上的高熱導率是有效的。

更多詳細內容請參考：

1、高導熱氮化硅陶瓷制備的研究進展；南京工業大學材料科學與工程學院；徐鵬，楊建，丘泰等著。

粉體圈 作者：小白