理論上，氮化硅（Si₃N₄）具有很高的熱導(dǎo)率，因此業(yè)界認(rèn)為它完全有潛力用作電子器件的主要陶瓷基材，尤其是新能源等高端領(lǐng)域，Si₃N₄陶瓷基板已以其獨(dú)特的性能在IGBT模塊封裝中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，風(fēng)頭一時(shí)無(wú)二。

氮化硅基板

具體Si₃N₄的熱導(dǎo)率有多高呢？Lightfoot和Haggerty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。Hirosaki等通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)的方法計(jì)算出兩種氮化硅最容易出現(xiàn)的形式——α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的理論熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)其沿a軸和c軸具有取向性，結(jié)果如下：

除此之外，Si₃N₄相比大熱的氮化鋁(AlN)，最明顯的優(yōu)勢(shì)就是力學(xué)性能好。研究數(shù)據(jù)表明，AlN的彎曲強(qiáng)度為為300~400 MPa，斷裂韌性為3~4 MPa·m^1/2，而Si₃N₄這倆數(shù)值分別為600~1000MPa，5~7 MPa·m^1/2，明顯高出不少，這就意味著Si₃N₄基板在用于電路板時(shí)的安全可靠性更佳（如應(yīng)用于新能源汽車(chē)時(shí)不怕顛簸）。下面是氮化硅與氮化鋁以及最常用的氧化鋁基板的強(qiáng)度及熱導(dǎo)率對(duì)比圖。

幾種陶瓷基板的強(qiáng)度與熱導(dǎo)率的比較

氮化硅基板的商業(yè)化關(guān)鍵

不過(guò)理想是豐滿的，現(xiàn)實(shí)卻是骨感的。目前采用常規(guī)方法制備的Si₃N₄陶瓷基板熱導(dǎo)率測(cè)試值一直偏低，實(shí)際生產(chǎn)中一般在100W/m·K以內(nèi)，嚴(yán)重影響了氮化硅陶瓷基板的推廣應(yīng)用進(jìn)程。

要提高Si₃N₄陶瓷基板的熱導(dǎo)率，就得從根本上解決。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，尤其是晶粒尺寸大于1μm時(shí)（一般而言，陶瓷熱導(dǎo)率會(huì)隨著晶粒增大而增加），因此通過(guò)降低晶格氧含量來(lái)制得高熱導(dǎo)率的Si₃N₄陶瓷尤為關(guān)鍵。

晶格氧是影響氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的主要缺陷

（圖：氮化硅燒結(jié)體的典型微觀結(jié)構(gòu)）

目前可知的是，晶格氧含量增加的其中一個(gè)途徑是促進(jìn)Si₃N₄陶瓷燒結(jié)的氧化物燒結(jié)助劑。這些燒結(jié)助劑除了導(dǎo)致晶格氧含量上升導(dǎo)致Si₃N₄熱導(dǎo)率降低外，它們?cè)诟邷叵乱矔?huì)與Si₃N₄表面的SiO₂反應(yīng)形成液相，最后形成熱導(dǎo)率只有0.7~1 W/m·K的晶界相，進(jìn)一步拖低Si₃N₄的熱導(dǎo)率。

但由于Si₃N₄屬于共價(jià)化合物，自擴(kuò)散系數(shù)很小，在燒結(jié)過(guò)程中依靠自身擴(kuò)散很難形成致密化的晶體結(jié)構(gòu)，因此絕不能因噎廢食，選擇不添加燒結(jié)助劑。于是為了兩全其美，業(yè)界開(kāi)始使用非氧化物作為燒結(jié)助劑——比如說(shuō)MgSiN₂就是一種新崛起的，頗具前景的，可作為燒結(jié)助劑制備高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷的新材料。

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）

MgSiN₂作為燒結(jié)助劑的優(yōu)勢(shì)

首先，MgSiN₂本身是一種熱學(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。這么高的導(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。

其次，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，因此是當(dāng)前公認(rèn)必備助劑體系成分之一。下圖中就是研究人員以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，清楚地表明了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

不過(guò)，盡管MgSiN₂有諸多優(yōu)異性質(zhì)及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)目前尚未形成該產(chǎn)品，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)無(wú)法釋放，導(dǎo)致了Si₃N₄陶瓷的性能提升緩慢。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)。

針對(duì)這一難題，齊魯中科光物院的研究人員通過(guò)上百次嘗試，成功制備了高品質(zhì)的MgSiN₂粉體，其相組成如下圖所示。在此基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了中試及規(guī)模化生產(chǎn)，以及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：

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，將高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷用于電子器件的基板材料仍是國(guó)內(nèi)面臨的一大難題。為了不斷提高Si₃N₄陶瓷基板材料的實(shí)際熱導(dǎo)率，必須要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”。

齊魯中科光物院在MgSiN₂燒結(jié)助劑上的突破，對(duì)我國(guó)陶瓷基板產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無(wú)疑有著重要意義——國(guó)產(chǎn)氮化硅基板能否步入新能源等高端領(lǐng)域，就與這些高品質(zhì)原料粉體的穩(wěn)定供應(yīng)密切相關(guān)。目前，齊魯中科光物正集中攻關(guān)高熱導(dǎo)專用Si₃N₄粉的穩(wěn)定批量生產(chǎn)，讓我們一起期待來(lái)自他們的更多成果！

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