氮化硅陶瓷具有高強度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、比重低以及抗熱震等優(yōu)良性能，具有良好的發(fā)展前景。另外，氮化硅陶瓷具有比較高的理論熱導(dǎo)率，該特性使其被認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。

高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的制備

原料粉體的選擇

氮化硅具有兩種晶型:α-Si₃N₄和β-Si₃N₄，高溫下α相為非穩(wěn)定態(tài)，易轉(zhuǎn)化為高溫穩(wěn)定的β相。研究發(fā)現(xiàn)隨氮化硅陶瓷中β相含量在40%-100%范圍內(nèi)逐漸增大時，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率呈線性增加，故高純β相是獲得高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的關(guān)鍵因素。α-Si₃N₄和β-Si₃N₄粉都可作為制備β-Si₃N₄陶瓷的原料。

以α-Si₃N₄粉末作為原料，燒結(jié)過程中通過溶解沉淀機制促進α→β相變，其燒結(jié)驅(qū)動力較高，可得到高β相氮化硅陶瓷。而采用β相為原料可獲得純β相氮化硅陶瓷，但其燒結(jié)過程中無相變，驅(qū)動力較小，燒結(jié)相對較為困難，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)動力及其分解溫度，故生產(chǎn)成本提高較多。

燒結(jié)助劑的選擇

氮化硅陶瓷屬于強共價鍵化合物，依靠固相擴散很難燒結(jié)致密，必需添加燒結(jié)助劑，如MgO、Al₂O₃、CaO和稀土氧化物等，在燒結(jié)過程，添加的燒結(jié)助劑中可以與氮化硅粉體表面的原生氧化物發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點的共晶熔液，利用液相燒結(jié)機理實現(xiàn)致密化。然而，燒結(jié)助劑所形成的晶界相自身的熱導(dǎo)率較低，對氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率具有不利影響，如氮化硅陶瓷常用的Al₂O₃燒結(jié)助劑，在高溫下會與氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶體，造成晶界附近的晶格發(fā)生畸變，對聲子傳熱產(chǎn)生阻礙，從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。因此選用適合的燒結(jié)助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導(dǎo)率的關(guān)鍵途徑。

氧化物類燒結(jié)助劑是氮化硅陶瓷常用的燒結(jié)助劑體系，最常見的為金屬氧化物和稀土氧化物的組合，Y₂O₃-MgO體系的燒結(jié)助劑是高導(dǎo)熱氮化硅材料應(yīng)用比較廣泛的燒結(jié)助劑體系，此外，Yb₂O₃也是一種常見的稀土氧化物燒結(jié)助劑。除常用的氧化物燒結(jié)助劑外，近年來，制備氮化硅陶瓷，特別是高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的一個研究熱點是對于非氧化物燒結(jié)助劑的研究。

非氧化物燒結(jié)助劑的優(yōu)勢在于可以減少額外引入的氧，這對于凈化氮化硅晶格，減少晶界玻璃相，提高熱導(dǎo)率及高溫性能具有重要的意義。除稀土氧化物被稀土非氧化物替代作為燒結(jié)助劑的研究外，還有一些研究采用Mg的非氧化物替代MgO作為燒結(jié)助劑，以達到降低晶格含氧量，提高熱導(dǎo)率的目的。然而非氧化物燒結(jié)助劑也存在著原料難得，成本較高，燒結(jié)難度大，條件高等問題。因此目前非氧化物燒結(jié)助劑在高導(dǎo)熱氮化硅材料批量化制備方面還沒有廣泛的應(yīng)用。

燒結(jié)方式的選擇

目前，氮化硅陶瓷燒結(jié)主要使用的燒結(jié)方法有熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等。這些燒結(jié)方式在氮化硅陶瓷的燒結(jié)中各有優(yōu)勢。放電等離子燒結(jié)方式速度很快，從燒結(jié)冷卻大約只要1個小時左右，十分適合快速燒結(jié)，有利于研究陶瓷的燒結(jié)特性；氣壓燒結(jié)的優(yōu)點在于燒結(jié)成本較低，并且能夠制備形狀較為復(fù)雜的產(chǎn)品，使生產(chǎn)能夠批量化進行。對于熱壓燒結(jié)方式來說，這種燒結(jié)方式由于外加機械加壓的原因，使燒結(jié)的驅(qū)動力得到了絕大的提高，對于難以燒結(jié)的共價化合物陶瓷來說是一種十分有效的致密化燒結(jié)技術(shù)。

氣壓燒結(jié)爐（頂立科技）

氮化硅陶瓷在電子封裝基板中的應(yīng)用

現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展異常迅速，電子系統(tǒng)及設(shè)備向大規(guī)模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發(fā)展。電子系統(tǒng)集成度的提高將導(dǎo)致功率密度升高，以及電子元件和系統(tǒng)整體工作產(chǎn)生的熱量增加，因此，有效的電子封裝必須解決電子系統(tǒng)的散熱問題，電子封裝內(nèi)基板材料的導(dǎo)熱性能則是影響整個電子系統(tǒng)散熱的關(guān)鍵。氮化硅陶瓷是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，單晶氮化硅的理論熱導(dǎo)率可達400W/(m·k)，具有成為高導(dǎo)熱基片的潛力。此外Si₃N₄的熱膨脹系數(shù)為3.0×10^-6/℃左右，與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好，這使Si₃N₄成為一種極具吸引力的高強高導(dǎo)熱的電子器件基板材料。

相比于其他陶瓷材料來說，氮化硅陶瓷具有許多優(yōu)異的特性，比如具有較高的理論熱導(dǎo)率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性能、無毒、較高的抗彎強度和斷裂韌性等。目前關(guān)于高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的研究報道中，熱導(dǎo)率最高可達到177W·m^-1·K^-1，并且力學(xué)性能也較為優(yōu)異（抗彎強度達到了460MPa，斷裂韌性達到了11.2MPa·m^1/2），這些特性使其被認為是一種很有潛力的高速電路和大功率器件的散熱封裝材料。Si₃N₄陶瓷基片廣闊的市場前景引起了國際陶瓷企業(yè)的高度重視，目前，國際上高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板主要的供應(yīng)商有美國羅杰斯公司和日本東芝公司，其生產(chǎn)的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率均能達到90W·m^-1·K^-1，抗彎強度和斷裂韌性也分別能達到650MPa和6.5MPa·m^1/2。

參考資料：
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吳慶豐、胡豐等.高性能氮化硅陶瓷的制備與應(yīng)用新進展

徐鵬、楊建等.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷制備的研究進展

鄭彧、童亞琦等.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀

張偉儒、高崇等.氮化硅：未來陶瓷基片材料的發(fā)展趨勢


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