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行業動態

高導熱氮化硅陶瓷基板材料研究現狀

2021-06-19 16:27:27????作者:admin
近年來,半導體器件沿著大功率化、高頻化、集成化的方向迅猛發展。半導體器件工作產生的熱量是引起半導體器件失效的關鍵因素,而絕緣基板的導熱性是影響整體半導體器件散熱的關鍵。

此外,在電動汽車、高鐵等領域,半導體器件使用過程中往往要面臨顛簸、震動等復雜的力學環境,這對所用材料的力學可靠性提出了嚴苛的要求。氮化硅(Si3N4)陶瓷是綜合性能最好的結構陶瓷材料。

 一、Si3N4陶瓷及其性能特點

Si3N4具有3種結晶結構,分別是α相、β相和γ相。其中α相和β相是Si3N4最常見的形態,均為六方結構。Si3N4陶瓷具有硬度大、強度高、熱膨脹系數小、高溫蠕變小、抗氧化性能好、熱腐蝕性能好、摩擦系數小等諸多優異性能,是綜合性能最好的結構陶瓷材料。與其他陶瓷材料相比,Si3N4陶瓷材料具有明顯優勢,尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現出的耐高溫性能、對金屬的化學惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學性能。

可以看出,Si3N4陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性都可達到AlN的2倍以上,特別是在材料可靠性上,Si3N4陶瓷具有其他二者無法比擬的優勢。

二、高導熱氮化硅陶瓷材料的研究進展

1、原料粉體的影響

原料粉體是影響陶瓷物理、力學性能的關鍵因素,特別是對于高導熱氮化硅陶瓷,原料粉體的純度、粒度、物相會對氮化硅的熱導率、力學性能產生重要影響。由于氮化硅的傳熱機制為聲子傳熱,當晶格完整無缺陷時,聲子的平均自由程越大,熱導率越高,而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯等結構缺陷,顯著地降低了聲子的平均自由程,導致熱導率降低。

因此降低晶格氧含量是提高氮化硅熱導率的關鍵,而控制原料粉體中的氧含量則是降低晶格氧含量的有效手段。在高導熱氮化硅陶瓷的制備過程中,初始原料粉體分為硅粉體系和氮化硅粉體系。其中,以硅粉作為原料粉體最大的優勢是硅粉純度高,往往達到99.99%以上,粉體顆粒表面氧含量極低,這是氮化硅原料粉很難達到的。

2、燒結助劑的影響

氮化硅屬于強共價鍵化合物,依靠固相擴散很難燒結致密,必需添加燒結助劑,如MgO、Al2O3、CaO和稀土氧化物等,在燒結過程,添加的燒結助劑中可以與氮化硅粉體表面的原生氧化物發生反應,形成低熔點的共晶熔液,利用液相燒結機理實現致密化。

然而,燒結助劑所形成的晶界相自身的熱導率較低,對氮化硅陶瓷熱導率具有不利影響,如氮化硅陶瓷常用的Al2O3燒結助劑,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生畸變,對聲子傳熱產生阻礙,從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導率。因此選用適合的燒結助劑,制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導率的關鍵途徑。

氧化物類燒結助劑是氮化硅陶瓷最常用的燒結助劑體系,最常見的為金屬氧化物和稀土氧化物的組合。研究表明,氮化硅陶瓷的熱導率隨著燒結助劑稀土元素陽離子半徑的增大有減小的趨勢;與添加MgO助燒結相比,添加CaO助燒結不利于氮化硅柱狀晶的生長,熱導率及強度普遍較低,但硬度較高。事實上Y2O3-MgO體系的燒結助劑是高導熱氮化硅材料應用比較廣泛的燒結助劑體系。

3、非氧化物燒結助劑

除常用的氧化物燒結助劑以外,近年來,制備氮化硅陶瓷,特別是高導熱氮化硅陶瓷的一個研究熱點是對于非氧化物燒結助劑的研究。

非氧化物燒結助劑的優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,提高熱導率及高溫力學性能具有重要意義。

研究表明,稀土離子半徑越小,越有利于燒結。測試結果表明,添加稀土氯化物燒結助劑的氮化硅陶瓷具有優良的機械性能和良好的導熱性能,如采用LaCl3-La2O3-MgO復合燒結助劑的氮化硅陶瓷熱導率可達78W·m-1·K-1,抗彎強度可達1011MPa。

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除稀土氧化物被稀土非氧化物替代作為燒結助劑的研究外,還有一些研究采用Mg的非氧化物替代MgO作為燒結助劑,以達到降低晶格氧含量,提高熱導率的目的。

總之,非氧化物燒結助劑的使用可以降低氮化硅晶格氧,達到凈化晶格,提高熱導率的目的。然而非氧化物燒結助劑也存在著原料難得,成本較高,燒結難度大、條件高等問題。因此目前非氧化物燒結助劑在高導熱氮化硅材料批量化制備方面還沒有廣泛的應用。
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