氮化硅陶瓷基板材料發(fā)展走向普及化需要幾步？

  一， 氮化硅陶瓷基板材料的研究背景：

 我國軍工航天、高鐵重工等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，促使各項科技行業(yè)對大功率電子器件的需求逐步加大。為適應(yīng)更為苛刻復(fù)雜的應(yīng)用條件，大功率電子器件必須朝著耐高溫、高頻、低功耗及智能化、系統(tǒng)化、模塊化的方向發(fā)展。延伸到功率器件的組成部件上來看，其中基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并將熱量傳到熱沉上，由此實現(xiàn)與外界的熱交換。因此制備高熱導(dǎo)率基板材料成為研發(fā)大功率模塊電子產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。

大功率散熱基板材料要求具有低成本、高電絕緣性、高穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE）、平整性和較高的強度等。為了滿足這些要求，研究人員將目光投向了金屬氧化物、陶瓷、聚合物以及復(fù)合材料等。被實際應(yīng)用的散熱基板材料有氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、氮化硅、碳化硅、氮化硼等。

研究人員用實驗的方法證明了氮化硅陶瓷具有很高的熱導(dǎo)率，且在熱膨脹系數(shù)、機械性能、抗氧化性、電絕緣性、對環(huán)境的影響等各個方面進(jìn)行了研究，結(jié)果都甚為滿意，由此氮化硅被認(rèn)為是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母咚匐娐泛痛蠊β孰娮悠骷纳峄寮胺庋b材料。

二，有關(guān)高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷研究成果：

現(xiàn)階段，將高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷用于電子器件的基板材料仍是一大難題。

目前國外僅有東芝、京瓷等少數(shù)公司能將氮化硅陶瓷基板商用化：例如東芝的氮化硅基片（TSN-90）的熱導(dǎo)率為90 W/(m·k)。

國內(nèi)有北京中材人工晶體研究院成功研制的熱導(dǎo)率為80 W/(m·k)、抗彎強度為750MPa·m1/2的氮化硅陶瓷基片材料，這與東芝公司的商用氮化硅產(chǎn)品性能相近。

中科院上硅所曾宇平研究員團(tuán)隊成功研制出平均熱導(dǎo)率為95 W/(m·k)，最高可達(dá)120 W/(m·k)且穩(wěn)定性良好的氮化硅tacit，其尺寸為120㎜×120㎜，厚度為0.32㎜，外形尺寸還能根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整。

3 高熱導(dǎo)率氮化硅作為散熱基板材料的發(fā)展趨勢：

（1）低成本氮化硅陶瓷的制備：

目前高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的燒結(jié)溫度在1600~1900℃，制備原料為高純α-Si3N4粉或高純硅粉，在燒結(jié)途中還要添加燒結(jié)助劑，一系列流程下來制備成本大幅增加，很大程度上限制了氮化硅陶瓷在工業(yè)中的推廣應(yīng)用。因此提升其高熱導(dǎo)率的同時，研究低溫制備、尋找低成本材料、低成本燒結(jié)助劑是一直以來的發(fā)展趨勢。

（2）氮化硅陶瓷增韌的研究：

由于大功率電子器件的形式多種多樣，散熱基板也需隨著主體結(jié)構(gòu)的變化而改變進(jìn)行多樣化發(fā)展。這就要求基板的制備材料具有良好的加工性能，而硬和脆是陶瓷的特點，加工成型難度大，加工成本也會增加。因此深入研究氮化硅陶瓷的加工成型技術(shù)及制備和增強氮化硅陶瓷韌性是發(fā)展方向。

（3）高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率、機械性能和介電性能方面的研究：

當(dāng)前實驗室研究報道制備出的氮化硅陶瓷最大熱導(dǎo)率是177W/(m·k)，但制得該成品的條件過于苛刻，不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)條件，這是接下來需進(jìn)一步解決的問題之一。另一方面，現(xiàn)階段對氮化硅陶瓷的研究還集中在燒結(jié)溫度、燒結(jié)助劑種類和含量、致密度等各單量對機械性能和介電性能的簡單影響關(guān)系上，而各種綜合條件對機械性能和介電性能的深層次影響機理的研究還處于初級階段，這是今后的研究方向。

（4）對燒結(jié)助劑的研究趨向于低成本、無氧化合物或能夠降低晶格中氧含量等方向：

由于燒結(jié)助劑能夠降低燒結(jié)溫度、促進(jìn)氮化硅的擴散結(jié)晶，因此是目前燒結(jié)氮化硅陶瓷的必備成分。為了降低氮化硅陶瓷的生產(chǎn)成本，燒結(jié)助劑的成本越低即越好；并且因為氧元素的存在會降低熱導(dǎo)率，因此未來研究無氧元素的燒結(jié)助劑將會是趨勢之一。

總的來說，近年來氮化硅陶瓷基板材料的實際熱導(dǎo)率有在不斷提升，但是與理論熱導(dǎo)率仍有較大差距。如何將實驗室數(shù)據(jù)同現(xiàn)實生產(chǎn)結(jié)合從而實現(xiàn)氮化硅陶瓷基板的推廣應(yīng)用，還需要一定的時間。

文章內(nèi)容來自騰訊新聞

網(wǎng)絡(luò)參考文獻(xiàn)：《高熱導(dǎo)率氮化硅散熱基板材料的研究進(jìn)展》——劉雄章、郭冉、李青達(dá)、衣雪梅；《高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板研究現(xiàn)狀》——廖圣俊、周立娟、尹凱俐、王建軍、姜常璽。