理論上，氮化硅（Si₃N₄）具有很高的熱導率，因此業界認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域，Si₃N₄陶瓷基板已以其獨特的性能在IGBT模塊封裝中占據優勢地位，風頭一時無二。

氮化硅基板

具體Si₃N₄的熱導率有多高呢？Lightfoot和Haggerty根據Si₃N₄結構提出氮化硅的理論熱導率在200~300 W/m·K。Hirosaki等通過分子動力學的方法計算出兩種氮化硅最容易出現的形式——α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的理論熱導率，發現其沿a軸和c軸具有取向性，結果如下：

除此之外，Si₃N₄相比大熱的氮化鋁(AlN)，最明顯的優勢就是力學性能好。研究數據表明，AlN的彎曲強度為為300~400 MPa，斷裂韌性為3~4 MPa·m^1/2，而Si₃N₄這倆數值分別為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的安全可靠性更佳（如應用于新能源汽車時不怕顛簸）。下面是氮化硅與氮化鋁以及最常用的氧化鋁基板的強度及熱導率對比圖。

幾種陶瓷基板的強度與熱導率的比較

氮化硅基板的商業化關鍵

不過理想是豐滿的，現實卻是骨感的。目前采用常規方法制備的Si₃N₄陶瓷基板熱導率測試值一直偏低，實際生產中一般在100W/m·K以內，嚴重影響了氮化硅陶瓷基板的推廣應用進程。

要提高Si₃N₄陶瓷基板的熱導率，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率的主要缺陷之一，尤其是晶粒尺寸大于1μm時（一般而言，陶瓷熱導率會隨著晶粒增大而增加），因此通過降低晶格氧含量來制得高熱導率的Si₃N₄陶瓷尤為關鍵。

晶格氧是影響氮化硅陶瓷熱導率的主要缺陷

（圖：氮化硅燒結體的典型微觀結構）

目前可知的是，晶格氧含量增加的其中一個途徑是促進Si₃N₄陶瓷燒結的氧化物燒結助劑。這些燒結助劑除了導致晶格氧含量上升導致Si₃N₄熱導率降低外，它們在高溫下也會與Si₃N₄表面的SiO₂反應形成液相，最后形成熱導率只有0.7~1 W/m·K的晶界相，進一步拖低Si₃N₄的熱導率。

但由于Si₃N₄屬于共價化合物，自擴散系數很小，在燒結過程中依靠自身擴散很難形成致密化的晶體結構，因此絕不能因噎廢食，選擇不添加燒結助劑。于是為了兩全其美，業界開始使用非氧化物作為燒結助劑——比如說MgSiN₂就是一種新崛起的，頗具前景的，可作為燒結助劑制備高熱導氮化硅陶瓷的新材料。

MgSiN2結構示意圖

（與AlN的區別是在Al³⁺的位置上分別替代為Mg²⁺和Si⁴⁺原子）

MgSiN₂作為燒結助劑的優勢

首先，MgSiN₂本身是一種熱學性能優異的高熱導材料，在全致密情況下，其理論熱導率達到75 W/m·K。這么高的導熱性，不僅可以用作高熱導陶瓷基板材料和理想的封裝材料，同時其可以作為燒結助劑制備高熱導氮化硅陶瓷。

其次，MgSiN₂作為燒結助劑時，能夠凈化Si₃N₄晶粒，降低氮化硅晶格氧含量，增強晶粒生長，從而大幅提高氮化硅陶瓷的熱導率，因此是當前公認必備助劑體系成分之一。下圖中就是研究人員以MgSiN₂作為燒結助劑時，獲得了低晶格氧含量、高熱導率氮化硅陶瓷的實驗結果，清楚地表明了MgSiN₂對提高熱導率氮化硅陶瓷熱導率的積極作用。

以MgSiN2作為燒結助劑制備低晶格氧含量、高熱導率氮化硅陶瓷

不過，盡管MgSiN₂有諸多優異性質及現實應用，但在國內目前尚未形成該產品，其應用優勢無法釋放，導致了Si₃N₄陶瓷的性能提升緩慢。造成上述癥結的根本原因在于目前國內尚未形成MgSiN₂的高品質、批量化、低成本制備技術。

針對這一難題，齊魯中科光物院的研究人員通過上百次嘗試，成功制備了高品質的MgSiN₂粉體，其相組成如下圖所示。在此基礎上，還實現了中試及規模化生產，以及MgSiN₂粉體的高品質、批量化、低成本制備，有望推進國內高熱導氮化硅陶瓷基板產業化的飛速發展。

齊魯中科光物院制備的高純MgSiN₂粉體

樣品測試參數如下表：

結語

現階段，將高熱導率氮化硅陶瓷用于電子器件的基板材料仍是國內面臨的一大難題。為了不斷提高Si₃N₄陶瓷基板材料的實際熱導率，必須要深入了解材料的作用機理，從原材料入手，從根源上“對癥下藥”。

齊魯中科光物院在MgSiN₂燒結助劑上的突破，對我國陶瓷基板產業的發展無疑有著重要意義——國產氮化硅基板能否步入新能源等高端領域，就與這些高品質原料粉體的穩定供應密切相關。目前，齊魯中科光物正集中攻關高熱導專用Si₃N₄粉的穩定批量生產，讓我們一起期待來自他們的更多成果！

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