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。