進入智能化信息時代后，半導體器件迅速占領了我們的生活。由于工件產生的熱量是引起半導體器件失效的關鍵因素，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。

目前行業針對“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。極好的耐高溫、耐腐蝕、熱導率高、機械強度高、熱膨脹系數與芯片相匹配及不易劣化等特性使得陶瓷基板與金屬、塑料等材質相比更具優勢，適用于具備高發熱量的產品與惡劣的戶外環境，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勢在于，它是一種綜合性能極其優秀的特種陶瓷，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等特點，各方面性能較平衡，是綜合性能最好的結構陶瓷材料。而電力電子器件在高鐵、電動汽車等領域常常要面臨顛簸、震動等復雜的力學環境，因此氮化硅陶瓷優秀的力學性能恰恰使其在上述領域擁有了較強的競爭力。

至于熱學性能，Lightfoot和Haggerty曾根據Si₃N₄結構提出氮化硅的理論熱導率在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，不僅技術難度大，而且加工成本高，目前能夠商業化的氮化硅基板熱導率基本在85-95W/m?K之間，更高熱導率的基板(＞150 W/(m·K))則還處于實驗室階段。

提高熱導率勢在必行

力學性能有了，就得補一補短板，整整熱學性能。氮化硅的主要傳熱機制是晶格振動，通過聲子來傳導熱量。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，從而降低熱導率。

氮化硅燒結體的典型微觀結構

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率的主要缺陷之一［３０］。氧原子在燒結的過程中會發生如下的固溶反應：

2SiO₂→2Si_Si+4O_N+V_Si

反應中生成了硅空位，并且原子取代會使晶體產生一定的畸變，這些都會引起聲子的散射，從而降低Si₃N₄晶體的熱導率。為了降低晶格氧含量，可從原料的選擇、燒結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，經過Si粉的氮化和重燒結兩步工藝獲得高致密、高導熱的Si₃N₄陶瓷——即將由Si粉和燒結助劑組成的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氮化后轉變為多孔的Si₃N₄燒結體，再將氮化硅燒結體進一步加熱到較高溫度，使多孔的Si₃N₄燒結成致密的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，或者直接用β-Si₃N₄進行燒結。

不同原料制備的Si₃N₄材料的熱導率比較

②燒結助劑選擇

氮化硅屬于強共價鍵化合物，依靠固相擴散很難燒結致密，必需添加燒結助劑，如MgO、Al₂O₃、CaO和稀土氧化物等，在燒結過程，添加的燒結助劑中可以與氮化硅粉體表面的原生氧化物發生反應，形成低熔點的共晶熔液，利用液相燒結機理實現致密化。然而，燒結助劑所形成的晶界相自身的熱導率較低，對氮化硅陶瓷熱導率也會有不利影響（比如說Al₂O₃燒結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生畸變，對聲子傳熱產生阻礙）。

因此為了進一步提高液相中的氮氧比，降低晶格氧含量，科學家還試圖采用非氧化物作為燒結助劑。Lee等經研究發現，相比于氧化物燒結添加劑，非氧化物MgSiN₂和氟化物作為燒結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反應生成SiF₄，而SiF₄的蒸發導致晶界相減少，同時也會導致晶界相SiO₂還原，降低晶格氧含量，進而達到提高熱導率的目的。

總而言之，選用適合的燒結助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導率的關鍵途徑。相比于氧化物燒結助劑，非氧化物燒結助劑能額外提供氮原子，提高氮氧比，促進晶型轉變，還能還原SiO₂降低晶格氧含量，但它們很難從商業的渠道獲得，不利于大規模生產。綜合考慮下，采用“氧化物＋非氧化物”作為燒結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的微觀結構

③碳的還原

如果覺得上述中燒結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的作用，是一種降低晶格氧含量的有效方法。

據悉，碳被廣泛用作非氧化物陶瓷的燒結添加劑，其主要作用是去除非氧化物粉末表面的氧化物雜質。在此基礎上，有研究者發現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構，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率。

該方法對原料含氧量和燒結助劑的要求不高，降低了高導熱氮化硅陶瓷的制備成本，隨著技術的不斷改進，有望在工業化生產中得到應用。

總結

或許會有人懷疑投入大量精力和成本去研發氮化硅陶瓷基板的必要性，但不能否認氮化硅陶瓷基板的應用確實正逐漸興起。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熱陶瓷基板。看似選擇很多，但氧化鋁基板導熱性能不足，氮化鋁基板力學性能不佳，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，還是相當值得期待的。

資料來源：

高導熱氮化硅陶瓷基板材料研究現狀，鄭彧，童亞琦，張偉。

高導熱氮化硅陶瓷基板研究現狀，廖圣俊，周立娟，尹凱俐，王建軍，姜常璽。

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