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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)械性能和介電性能的深層次影響機(jī)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(kuò)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。