進入智能化信息時代后，半導(dǎo)體器件迅速占領(lǐng)了我們的生活。由于工件產(chǎn)生的熱量是引起半導(dǎo)體器件失效的關(guān)鍵因素，因此為了避免器件失效引起的諸多麻煩，保證其長期有效安全運行，必須要配備高效的散熱系統(tǒng)。

目前行業(yè)針對“散熱”所作的工作中，更換新型功率陶瓷基板是非常重要的一環(huán)。極好的耐高溫、耐腐蝕、熱導(dǎo)率高、機械強度高、熱膨脹系數(shù)與芯片相匹配及不易劣化等特性使得陶瓷基板與金屬、塑料等材質(zhì)相比更具優(yōu)勢，適用于具備高發(fā)熱量的產(chǎn)品與惡劣的戶外環(huán)境，因此越來越廣為大眾接受。

氮化硅陶瓷基板的性能

陶瓷基板對半導(dǎo)體集成電路主要起著以下幾個作用：為芯片和電子元件提供機械支撐和環(huán)境保護；提供散熱通道，避免局部溫度過高，有助于器件可靠性提高。目前能夠滿足這些要求的陶瓷基板材料主要有氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、氮化硅等。

三種陶瓷的性能對比

其中氮化硅陶瓷的優(yōu)勢在于，它是一種綜合性能極其優(yōu)秀的特種陶瓷，具有高強度、高硬度、高電阻率、良好的抗熱震性、低介電損耗和低膨脹系數(shù)等特點，各方面性能較平衡，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。而電力電子器件在高鐵、電動汽車等領(lǐng)域常常要面臨顛簸、震動等復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，因此氮化硅陶瓷優(yōu)秀的力學(xué)性能恰恰使其在上述領(lǐng)域擁有了較強的競爭力。

至于熱學(xué)性能，Lightfoot和Haggerty曾根據(jù)Si₃N₄結(jié)構(gòu)提出氮化硅的理論熱導(dǎo)率在200~300 W/(m·K)，因此按理來說氮化硅在散熱上還是很有點潛力的。不過理想是豐滿的，現(xiàn)實卻是骨感的，氮化硅與其他陶瓷材料相比，入門門檻高，不僅技術(shù)難度大，而且加工成本高，目前能夠商業(yè)化的氮化硅基板熱導(dǎo)率基本在85-95W/m?K之間，更高熱導(dǎo)率的基板(＞150 W/(m·K))則還處于實驗室階段。

提高熱導(dǎo)率勢在必行

力學(xué)性能有了，就得補一補短板，整整熱學(xué)性能。氮化硅的主要傳熱機制是晶格振動，通過聲子來傳導(dǎo)熱量。晶格振動并非是線性的，晶格間有著一定的耦合作用，聲子間會發(fā)生碰撞，使聲子的平均自由程減小。另外，Si₃N₄晶體中的各種缺陷、雜質(zhì)以及晶粒界面都會引起聲子的散射，也等效于聲子平均自由程減小，從而降低熱導(dǎo)率。

氮化硅燒結(jié)體的典型微觀結(jié)構(gòu)

研究表明，在諸多晶格缺陷中，晶格氧是影響氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的主要缺陷之一［３０］。氧原子在燒結(jié)的過程中會發(fā)生如下的固溶反應(yīng)：

2SiO₂→2Si_Si+4O_N+V_Si

反應(yīng)中生成了硅空位，并且原子取代會使晶體產(chǎn)生一定的畸變，這些都會引起聲子的散射，從而降低Si₃N₄晶體的熱導(dǎo)率。為了降低晶格氧含量，可從原料的選擇、燒結(jié)助劑的選擇和制備過程中碳的還原等方面入手：

①原料粉體選擇

為了降低氮化硅晶格中的氧含量，要先得從原料粉體上降低雜質(zhì)氧的含量。目前有兩種方法：一種是使用低含氧量的Si粉為原料，經(jīng)過Si粉的氮化和重?zé)Y(jié)兩步工藝獲得高致密、高導(dǎo)熱的Si₃N₄陶瓷——即將由Si粉和燒結(jié)助劑組成的Si的致密體在氮氣氣氛中加熱到Si熔點（1414℃）附近的溫度，使Si氮化后轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫椎?/span>Si₃N₄燒結(jié)體，再將氮化硅燒結(jié)體進一步加熱到較高溫度，使多孔的Si₃N₄燒結(jié)成致密的Si₃N₄陶瓷；另外一種是使用氧含量更低的高純α-Si₃N₄粉進行燒結(jié)，或者直接用β-Si₃N₄進行燒結(jié)。

不同原料制備的Si₃N₄材料的熱導(dǎo)率比較

②燒結(jié)助劑選擇

氮化硅屬于強共價鍵化合物，依靠固相擴散很難燒結(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)，形成低熔點的共晶熔液，利用液相燒結(jié)機理實現(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，對氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率也會有不利影響（比如說Al₂O₃燒結(jié)助劑在高溫下會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，對聲子傳熱產(chǎn)生阻礙）。

因此為了進一步提高液相中的氮氧比，降低晶格氧含量，科學(xué)家還試圖采用非氧化物作為燒結(jié)助劑。Lee等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，相比于氧化物燒結(jié)添加劑，非氧化物MgSiN₂和氟化物作為燒結(jié)添加劑能降低氮化硅的二次相和晶格氧含量，其中稀土氟化物能與SiO₂反應(yīng)生成SiF₄，而SiF₄的蒸發(fā)導(dǎo)致晶界相減少，同時也會導(dǎo)致晶界相SiO₂還原，降低晶格氧含量，進而達到提高熱導(dǎo)率的目的。

總而言之，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。相比于氧化物燒結(jié)助劑，非氧化物燒結(jié)助劑能額外提供氮原子，提高氮氧比，促進晶型轉(zhuǎn)變，還能還原SiO₂降低晶格氧含量，但它們很難從商業(yè)的渠道獲得，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。綜合考慮下，采用“氧化物＋非氧化物”作為燒結(jié)助劑或許是一種性價比較高的可行之徑。

氧化物添加劑(a)MgO-Y₂O₃和(d)MgO-Yb2O3?混合添加劑(b)MgSiN₂-Y₂O₃和(e)MgSiN₂-Yb₂O₃?非氧化物添加劑(c)MgSiN₂-YF₃和(f)Mg-SiN₂-YbF₃的微觀結(jié)構(gòu)

③碳的還原

如果覺得上述中燒結(jié)助劑的解決方案成本較高，這里還有一種更為簡便、廉價的處理方法，那就是在燒結(jié)過程中摻雜一定量的碳，目前已有研究證明這能起到還原氧雜質(zhì)的作用，是一種降低晶格氧含量的有效方法。

據(jù)悉，碳被廣泛用作非氧化物陶瓷的燒結(jié)添加劑，其主要作用是去除非氧化物粉末表面的氧化物雜質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，有研究者發(fā)現(xiàn)少量碳的加入可以有效地降低AlN陶瓷的晶格氧含量，從而提高AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。同樣地，在Si₃N₄陶瓷中引入碳也可以降低氧含量，主要是由于在氮化和后燒結(jié)過程中，適量的碳會起到非常明顯的還原作用，能極大降低SiO的分壓，增加晶間二次相的N/O原子比，從而形成雙峰狀顯微結(jié)構(gòu)，得到晶粒尺寸大、細長的氮化硅顆粒，提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。

該方法對原料含氧量和燒結(jié)助劑的要求不高，降低了高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備成本，隨著技術(shù)的不斷改進，有望在工業(yè)化生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

總結(jié)

或許會有人懷疑投入大量精力和成本去研發(fā)氮化硅陶瓷基板的必要性，但不能否認(rèn)氮化硅陶瓷基板的應(yīng)用確實正逐漸興起。比如說新能源汽車中號稱“最強大腦”的IGBT，其制備就離不開高導(dǎo)熱陶瓷基板。看似選擇很多，但氧化鋁基板導(dǎo)熱性能不足，氮化鋁基板力學(xué)性能不佳，在這種情況下若氮化硅基板若能突破瓶頸，那它必然是興起的碳化硅MOSFET方案對陶瓷基板的不二選擇。總而言之，困難雖多但潛力尤佳，還是相當(dāng)值得期待的。

資料來源：

高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀，鄭彧，童亞琦，張偉。

高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板研究現(xiàn)狀，廖圣俊，周立娟，尹凱俐，王建軍，姜常璽。

粉體圈NANA