近年來，隨著電動汽車、可再生能源、智能電網和高效電源等應用的快速發展，功率半導體的全球市場規模持續增長，碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料更是憑借更高的電壓、溫度和頻率性能，能夠提供更好的效率等優點占據了越來越多的高端領域市場。但在另一方面，第三代半導體器件集成度和功率密度也在明顯提高，相應工作產生的熱量急劇增加。因此，電子封裝系統的散熱問題已成為影響其性能和壽命的關鍵。

氮化硅（Si₃N₄）陶瓷基板除了具有高強度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性能、優異的介電性能、氣密性、與SiC晶體材料匹配的熱膨脹系數等優勢，相比氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鋯（ZrO）等陶瓷材料，還擁有更高的導熱性能（理論熱導率為320W/(m·K)，商業產品熱導率為90～120W/(m·k)），而在機械性能上，其抗彎強度、斷裂韌性都可達到AlN的２倍以上，被稱為是綜合性能最好的陶瓷基板材料。不過，由于晶格排布和體相氧、物相組成、晶界相含量、陶瓷氣孔及密度及其他雜質缺陷等因素影響，Si₃N₄陶瓷基板的實際熱導率與理論熱導率有很大差距。要充分發揮其導熱性能，從粉體選擇到成型燒結等制備環節都非常關鍵！

一、粉體選擇

氮化硅的主要傳熱機制是晶格振動，通過聲子來傳導熱量。而Si₃N₄ 結構相對復雜，各種缺陷、雜質以及晶粒界面都會引起聲子的散射，導致熱導率降低。比如，粉體原料中存在的晶格氧在燒結的過程中會發生固溶反應生成硅空位，且原子取代會使晶體產生一定的畸變，從而引起聲子的劇烈散射。而Al元素則固溶于Si₃N₄，將Si替換，形成低熱導率的Sialon相（由Si₃N₄和Al₂O₃等元素組成的固溶體材料）。因此，在工業上制備高導熱陶瓷基板時，要選擇高純度的Si₃N₄粉末作為原料，尤其避免引入氧（O）、鋁（Al）元素。

氮化硅燒結體的典型微觀結構（來源：參考文獻1）

此外，原料粉體形貌也十分重要，小初始粒徑、大比表面積、具備“自形”晶的粉體具有良好的燒結活性，對于制備高致密度的成品更有優勢。

二、燒結助劑選擇

氮化硅的強共價鍵使得其很難通過固相擴散達到燒結致密的目的，因此需要添加合適的燒結助劑，來實現其致密化。不過由于燒結助劑與Si₃N₄表面的SiO₂反應形成液相，最后形成晶界相，而晶界相熱導率較低，且會導致Si₃N₄晶格氧含量增加，會極大地降低氮化硅的熱導率。因此燒結助劑的選擇應考慮3個方面

①首先應考慮活性好的燒結助劑，能夠在低添加量的情況下實現高致密燒結，從而減少形成的晶界相；

②其次應考慮在燒結助劑在燒結過程中形成液較低相粘度，有利于氮化硅的相變以及晶粒的長大；

③最后應考慮燒結助劑形成的晶界相易于晶化，并形成高導熱晶相。

目前氮化硅陶瓷的燒結助劑種類繁多，包括各種稀土氧化物、鎂化物、氟化物和它們所組成的復合燒結助劑，其中稀土元素由于具有很高的氧親和力可以從 Si₃N₄晶格中吸附氧，而MgO能夠保障液相形成并制得高致密度的氮化硅陶瓷，因此Si₃N₄陶瓷比較常用的是鎂的氧化物和稀土元素的氧化物組成的混合燒結助劑。不過，為了盡量避免O元素的引入，氮化硅鎂（MgSiN₂）、氟化釔（YF₃）等也成為了制備高導熱氮化硅陶瓷的常用助劑。

采用不同燒結助劑制備的氮化硅陶瓷熱導率對比（來源：參考文獻1）

三、成型階段

無論是流延成型還是注漿成型，漿料都是決定素坯性能最關鍵的因素，漿料包括粉體、溶劑、分散劑、粘結劑、增塑劑和其他添加劑，每一種成分對漿料的性能都有重要影響，并且漿料中的各個組分也會互相產生影響，因此通過改善工藝、優化各組分的配比，制備出均勻穩定、粘度適中、潤濕性良好的漿料，是制備高導熱氮化硅陶瓷的關鍵。

此外值得一提的是，在高溫燒結氮化硅陶瓷的過程中，原料低溫相 α-Si₃N₄會經過溶解-沉淀機制轉變為高溫相 β-Si₃N₄，但由于 c 軸的生長速率大于 a 軸，這種各向異性生長導致了 β-Si3N4呈棒狀，也導致了其導熱性能的各向異性（β-Si3N4單晶體沿a 軸和c 軸的理論熱導率分別為170 W/(m·K)、450 W/(m·K)），因此可以通過成型方法調控晶粒的定向排列來實現高熱導率。目前采用將強磁場與流延成型、熱壓成型、注漿成型等基本成型方法復合的成型方法是氮化硅基板成型技術重要的發展方向，由于氮化硅晶體沿各晶軸方向的磁化率差異，在外加強磁場的作用下，氮化硅晶體會受到力矩的作用，通過旋轉一定的角度以便具有最小的磁化能，因此能夠實現晶粒的高定向排列。

利用強磁場結合傳統成型方法制備氮化硅高導熱陶瓷（來源：參考文獻1）

不過現階段，這種定向生長的氮化硅陶瓷還處于實驗室階段，大規模生產中仍很難實現，仍需要進一步進行研究。

四、燒結方法

β-Si3N4因為結構上更加對稱，其熱導率要高于 α-Si₃N₄。在高溫燒結氮化硅陶瓷的過程中，原料低溫相 α-Si₃N₄會經過溶解-沉淀機制轉變為高溫相 β-Si₃N₄，但是在燒結過程中晶型轉變并不完全，未轉變的 α-Si₃N₄會極大地影響氮化硅陶瓷的熱導率。

為了促進晶型轉變，得到更高的 β/(α + β)相比，可采取以下兩種方式：

①燒結制度優化：適當提高燒結溫度、延長燒結時間以及進行后續熱處理都能在一定程度上促進晶型轉變，同時隨著溶解沉淀過程的進行，晶粒不斷長大，晶格氧含量降低也會在一定程度上提高熱導率。

②引入 β-Si₃N₄晶種：采用 β-Si₃N₄代替α-Si₃N₄為起始粉末可制備高導熱氮化硅陶瓷，但也會導致燒結相對困難，需要在極高溫度下才能實現致密化，同時也可能影響其抗彎強度，因此可在α-Si₃N₄中加入適量的 β-Si₃N₄棒狀晶粒作為晶種，來提升β/(α + β)相比。

加入晶種后 β-Si₃N₄陶瓷的雙模式組織分布

小結

氮化硅陶瓷由于潛在的高導熱性能和優異的綜合性能，在半導體功率器件中得到了越來越多的應用，但晶格缺陷、雜質元素、晶格氧含量、晶粒尺寸等因素限制了其實際熱導率的發揮。為了更好發揮其導熱性能，從粉體選擇到成型燒結這一系列環節都很關鍵。除了可選擇高純度的原料粉體、優化燒結助劑配方、優化燒結制度等，也可結合新技術，如將強磁場與基本成型方法復合來實現氮化硅晶粒的定向排列，從而提升熱導率。目前這種復合成型方法已成為氮化硅基板成型技術重要的發展方向，不過如何利用該技術實現大規模生產還需進一步研究。

參考文獻：

1、廖圣俊,周立娟,尹凱俐,等.高導熱氮化硅陶瓷基板研究現狀[J].材料導報.

2、張偉儒.第3代半導體碳化硅功率器件用高導熱氮化硅陶瓷基板最新進展[J].新材料產業.

粉體圈整理