氮化硅(Si₃N₄)具有高強(qiáng)度、高韌性、耐熱沖擊性、耐磨損和耐腐蝕等性能，是一種應(yīng)用廣泛的高性能結(jié)構(gòu)材料，除此之外，Si₃N₄陶瓷還具有良好的抗氧化性、熱膨脹系數(shù)與SiC等半導(dǎo)體材料接近、電絕緣性好、介電常數(shù)低、無(wú)毒等性能，被認(rèn)為是一種很有潛力的高速電路和大功率器件散熱和封裝材料。

Si₃N₄陶瓷的理論熱導(dǎo)率雖然很高（單晶理論熱導(dǎo)率高達(dá)320 W/m·K），但采用常規(guī)方法制備的Si₃N₄陶瓷基板熱導(dǎo)率測(cè)試值卻較低，實(shí)際生產(chǎn)一般在100W/m·K以內(nèi)，影響了氮化硅陶瓷基板的推廣應(yīng)用進(jìn)程。

那么都是哪些因素影響了氮化硅陶瓷基板的熱導(dǎo)率呢？

研究表明，這跟Si₃N₄陶瓷燒結(jié)后的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其影響因素主要有致密化程度、氧含量、晶間相組成和含量等。

Si₃N₄燒結(jié)體的典型微觀結(jié)構(gòu)

由于氮化硅的主要傳熱機(jī)制是晶格振動(dòng)，通過聲子來(lái)傳導(dǎo)熱量。晶格振動(dòng)并非是線性的，晶格間有著一定的耦合作用，聲子間會(huì)發(fā)生碰撞，使聲子的熱量傳遞受到一定的阻礙。另外，Si₃N₄晶體中的各種缺陷、雜質(zhì)以及晶粒界面都會(huì)引起聲子的散射，也一定程度降低了聲子傳導(dǎo)效率，從而降低熱導(dǎo)率。

其中，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。氧原子在燒結(jié)的過程中會(huì)發(fā)生固溶反應(yīng)，生成硅空位，并且原子取代會(huì)使晶體產(chǎn)生一定的畸變，這些都會(huì)引起聲子的散射，從而降低Si₃N₄晶體的熱導(dǎo)率。因此通過降低晶格氧含量來(lái)制得高熱導(dǎo)率的氮化硅顯得尤為關(guān)鍵。

而影響最終Si₃N₄燒結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)的重要因素，除了原料和制備工藝，還有燒結(jié)助劑。Si₃N₄屬于共價(jià)化合物，有著很小的自擴(kuò)散系數(shù)，在燒結(jié)過程中依靠自身擴(kuò)散很難形成致密化的晶體結(jié)構(gòu)，因此添加合適的燒結(jié)助劑和優(yōu)化燒結(jié)助劑配比能得到高熱導(dǎo)率的氮化硅陶瓷。

通過添加合適的燒結(jié)助劑獲得致密的氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)

在制備Si₃N₄陶瓷時(shí)，MgO、Al₂O₃和Y₂O₃等是常用的燒結(jié)助劑，但這些氧化物助劑的引入會(huì)提升材料中的氧含量，不利于Si₃N₄陶瓷熱導(dǎo)率的提高。為了提高Si₃N₄陶瓷的熱導(dǎo)率，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在開發(fā)非氧化物新體系燒結(jié)助劑投入了大量的研究。

近些年采用MgSiN₂作為燒結(jié)助劑逐漸引起研究者的關(guān)注。

MgSiN₂的晶體結(jié)構(gòu)與AlN類似，是一種熱學(xué)性能優(yōu)異的高熱導(dǎo)材料，在全致密情況下，其理論熱導(dǎo)率達(dá)到75 W/m·K，其高導(dǎo)熱性，不僅可以用作高熱導(dǎo)陶瓷基板材料和理想的封裝材料，同時(shí)其可以作為燒結(jié)助劑制備高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷。MgSiN₂作為燒結(jié)助劑時(shí)，能夠凈化Si₃N₄晶粒，降低氮化硅晶格氧含量，增強(qiáng)晶粒生長(zhǎng)，從而大幅提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率，是當(dāng)前公認(rèn)助劑體系中必備成分之一。

MgSiN2結(jié)構(gòu)示意圖

（與AlN的區(qū)別是在Al³⁺的位置上分別替代為Mg²⁺和Si⁴⁺原子）

下圖展示了日本研究人員以MgSiN₂作為燒結(jié)助劑時(shí)，獲得了低晶格氧含量、高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明了MgSiN₂對(duì)提高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的積極作用。

以MgSiN₂作為燒結(jié)助劑制備低晶格氧含量、高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷

盡管MgSiN₂有諸多優(yōu)異性質(zhì)及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)目前尚未形成該產(chǎn)品的穩(wěn)定供應(yīng)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)無(wú)法釋放，這也部分制約了國(guó)內(nèi)高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷量產(chǎn)進(jìn)程。造成上述癥結(jié)的根本原因在于，目前國(guó)內(nèi)尚未形成MgSiN₂的高品質(zhì)、批量化、低成本制備技術(shù)。

MgSiN₂作為燒結(jié)助劑能更好地發(fā)揮降低氮化硅晶格氧含量的作用，因此，制備高純度、性能穩(wěn)定的 MgSiN₂成為應(yīng)用的關(guān)鍵。

針對(duì)這一難題，齊魯中科光物院的研究人員通過上百次嘗試及與客戶互動(dòng)，成功開發(fā)了高品質(zhì)的MgSiN₂粉體的批量制備工藝，粉體純度達(dá)到99%、氧含量和其他雜質(zhì)含量低，在此基礎(chǔ)上，已完成中試及規(guī)模化生產(chǎn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了MgSiN₂粉體的高品質(zhì)、批量化、低成本制備，有望推進(jìn)國(guó)內(nèi)高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷基板產(chǎn)業(yè)化的飛速發(fā)展。

齊魯中科光物院制備的高純MgSiN₂粉體

樣品測(cè)試參數(shù)如下表：

除高熱導(dǎo)氮化硅專用MgSiN₂燒結(jié)助劑外，齊魯中科光物院已在中試規(guī)模實(shí)現(xiàn)了自制高熱導(dǎo)專用Si₃N₄粉的小批量生產(chǎn)，利用自產(chǎn)高熱導(dǎo)專用Si₃N₄粉及自產(chǎn)MgSiN₂燒結(jié)助劑，已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率120W/m·K陶瓷制備，目前，研發(fā)人員正在集中攻關(guān)高熱導(dǎo)專用Si₃N₄粉的穩(wěn)定批量生產(chǎn)。

氮化硅陶瓷基板電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，然而相對(duì)于早已有成熟產(chǎn)品的國(guó)外，我國(guó)的氮化硅陶瓷基板的發(fā)展仍處于起步階段，在高性能粉體及高導(dǎo)熱基板的制備生產(chǎn)上仍有一定的差距。深入了解材料的作用機(jī)理，從原材料入手，從根源上“對(duì)癥下藥”，才能讓我國(guó)的陶瓷基板產(chǎn)業(yè)更上一個(gè)臺(tái)階。高品質(zhì)原料粉體的穩(wěn)定供應(yīng)，無(wú)疑是給諸多陷入瓶頸的陶瓷基板廠商注入一針“強(qiáng)心劑”，期待它給我國(guó)氮化硅陶瓷基板產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的助推作用。

粉體圈小吉

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