β-Si₃N₄陶瓷具有潛在的高熱導(dǎo)率(200~320W·m^-1·K^-1)，在微波透過(guò)材料和高功率微電子封裝材料等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。但要制備一塊導(dǎo)熱及機(jī)械能力都滿足要求的氮化硅基板是不易的。影響其熱導(dǎo)率的因素主要為晶界相物相及其含量、晶格內(nèi)缺陷、晶粒尺寸以及微觀結(jié)構(gòu)的各向異性等。

氮化硅基片（圖片來(lái)源：StellarIndustriesCorp）

當(dāng)前，氮化硅陶瓷基板雖然性能比較強(qiáng)悍，也很符合當(dāng)前電子信息科技的高功率化發(fā)展需求，但限于制備成本高昂及工藝難其應(yīng)用也是有所限制。下文將圍繞氮化硅陶瓷基板材料制備工藝過(guò)程中最重視的熱導(dǎo)率及其影響因素最個(gè)小小的總結(jié)。

1、選取合適的原料很重要

氮化硅陶瓷兩種晶型：α-Si₃N₄和β-Si₃N₄，許多研究工作表明氮化硅陶瓷中β相含量在40-100%范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率也呈線性增加，故高純的β相是獲得高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的關(guān)鍵因素。在原料的選取上，α-Si₃N₄和β-Si₃N₄粉都可作為制備氮化硅陶瓷的原料。

在高溫狀態(tài)下，β-Si₃N₄熱力學(xué)上更穩(wěn)定，α-Si₃N₄會(huì)發(fā)生相變，轉(zhuǎn)為β-Si₃N₄。以α-Si₃N₄粉末作為原料，燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)溶解沉淀機(jī)制促進(jìn)α→β相變，其燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力較高，可制取細(xì)晶、長(zhǎng)柱型β相含量高的氮化硅陶瓷產(chǎn)品，從而有利于氮化硅陶瓷的韌性提升。但需采用適當(dāng)?shù)氖侄慰刂祁w粒的異常生長(zhǎng)，以避免氣孔、裂紋、位錯(cuò)缺陷的出現(xiàn)對(duì)制品力學(xué)性能造成的影響。

而采用β-Si₃N₄粉末為原料可獲得純β相氮化硅陶瓷，但其燒結(jié)過(guò)程中無(wú)相變，驅(qū)動(dòng)力較小，燒結(jié)相對(duì)較為困難，且由于Si₃N₄在1800℃以上易發(fā)生分解，為保證燒結(jié)致密，多采用氣壓燒結(jié)，以提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力及其分解溫度，故生產(chǎn)成本提高較高。

2、燒結(jié)助劑的選擇

由于Si₃N₄是強(qiáng)共價(jià)化合物，擴(kuò)散系數(shù)小，致密化所須的體積擴(kuò)散速度較小，燒結(jié)較為困難，故一般在燒結(jié)過(guò)程中需添加一定量的燒結(jié)助劑與Si₃N₄粉體表面的SiO₂反應(yīng)形成液相，通過(guò)溶解-析出機(jī)制使其致密。但氧化物燒結(jié)助劑的引入還會(huì)導(dǎo)致Si₃N₄晶格氧含量的提高，另外某些燒結(jié)助劑會(huì)固溶入Si₃N₄晶格形成固溶體，從而影響氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的提高。

目前對(duì)制備高導(dǎo)熱氮化硅選取燒結(jié)助劑的研究，多針對(duì)于Al₂O₃、MgO、MgSiN₂以及稀土氧化物(RE₂O₃，RE包括Sc，Y以及鑭系元素(Ln))等，其選擇多基于控制液相粘度，提高相轉(zhuǎn)變，防止固溶體的形成，降低晶格氧含量以及控制玻璃相組成和含量等幾方面。

3、引入β-Si₃N₄晶種

在Si₃N₄原料中引入尺寸較大的β-Si₃N₄晶種，可促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程中細(xì)小顆粒迅速溶解沉淀于β-Si₃N₄晶種上，提高晶粒生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)β-Si₃N₄晶粒的生長(zhǎng)，而晶粒的生長(zhǎng)有利于晶界相逐漸排擠進(jìn)入多晶交界處，減少晶界相在晶格中分布，從而提高熱導(dǎo)率。

另外，晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程中伴隨著不斷的溶解-沉淀過(guò)程，在該過(guò)程中多數(shù)雜質(zhì)、缺陷亦可排除，可起到晶格的凈化作用，這也是熱導(dǎo)率得以提高的重要因素。在許多研究工作中都顯現(xiàn)了這個(gè)效果“與未添加晶種的氮化硅陶瓷相比，大尺寸晶粒明顯增多，說(shuō)明晶種的引入促進(jìn)了β-Si₃N₄晶粒的生長(zhǎng)，從而引起了熱導(dǎo)率的提高”。

4、燒結(jié)及退火參數(shù)控制

許多研究工作均表明這樣的規(guī)律：在一定溫度范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的提高，晶粒尺寸也增大，發(fā)育越加完善。在較高的溫度下退火可進(jìn)一步增大晶粒尺寸，促進(jìn)晶粒發(fā)育。延長(zhǎng)燒結(jié)保溫時(shí)間同樣可以促進(jìn)Si₃N₄相轉(zhuǎn)變以及晶粒的發(fā)育。

因此，適度提高燒結(jié)和退火溫度，或延長(zhǎng)燒結(jié)及退火時(shí)間都可使得氮化硅燒結(jié)中的溶解沉淀進(jìn)程更為充分，促進(jìn)氮化硅相轉(zhuǎn)變以及晶粒的生長(zhǎng)發(fā)育；同時(shí)，也可使玻璃相發(fā)生析晶，降低玻璃相含量，這些都有助于熱導(dǎo)率的提高。

5、成型工藝

研究認(rèn)為采用適當(dāng)?shù)某尚头绞娇捎行У目刂凭ЯＥ帕小⑸L(zhǎng)的定向性，從而可制備出某單一方向上熱導(dǎo)率較高的β-Si₃N₄陶瓷。而β-Si₃N₄的a軸和c軸的理論熱導(dǎo)率分別為170和450W/m?K，如何能讓高導(dǎo)熱的軸出現(xiàn)在材料應(yīng)有想要的方向，那將是大有好處的。

許多研究表明，流延成型及熱壓成型利于Si₃N₄晶粒沿特定方向發(fā)生定向排列和生長(zhǎng)，對(duì)于獲得某一特定方向上的高熱導(dǎo)率是有效的。

更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考：

1、高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷制備的研究進(jìn)展；南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；徐鵬，楊建，丘泰等著。

粉體圈 作者：小白