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氮化硅(Si₃N₄)具有高(gao)强度、高(gao)韧性、耐(nai)热冲击性、耐(nai)磨(mo)损和耐(nai)腐蚀(shi)等(deng)性能，是一种(zhong)应(ying)用广泛(fan)的高(gao)性能结构材(cai)料，除此之外，Si₃N₄陶瓷还具有良好的抗氧(yang)化性、热(re)膨胀系数与(yu)SiC等半导体材料接近、电绝缘性好、介电常数低、无毒等性能，被认为是一种很有潜力的高速电路和大功率器件散热和封装材料。

Si₃N₄陶瓷的理(li)论热导(dao)率(lv)虽(sui)然很高（单(dan)晶(jing)理(li)论热导(dao)率(lv)高达320 W/m·K），但采用常规方法制备的Si₃N₄陶瓷基板热导率测(ce)试值却较低，实际(ji)生(sheng)产一般在100W/m·K以内，影响了氮化硅陶瓷基板的推广应用进程。

那(nei)么都是哪些(xie)因素(su)影响了氮化硅陶瓷基板的热导率呢？

研(yan)究表明，这跟Si₃N₄陶瓷烧结后的微观结构密切相关，其(qi)影响因素主(zhu)要有致密(mi)化程度、氧含量、晶间相(xiang)组成(cheng)和含量等。

Si₃N₄烧(shao)结体的典型微观结构

由于氮(dan)化硅的主要传热(re)机制是(shi)晶(jing)格振动，通过声(sheng)子来(lai)传导(dao)热(re)量。晶(jing)格振动并非是(shi)线性(xing)的，晶(jing)格间有(you)着一定的耦(ou)合作用，声(sheng)子间会(hui)发生碰撞，使声(sheng)子的热(re)量传递受到一定的阻(zu)碍(ai)。另外(wai)，Si₃N₄晶体中的各种缺陷(xian)、杂质以及晶粒界面都会(hui)引起(qi)声(sheng)子(zi)的散射，也一定程(cheng)度降(jiang)低了(le)声(sheng)子(zi)传导效(xiao)率(lv)，从而降(jiang)低热导率(lv)。

其中(zhong)，在诸多晶(jing)格(ge)缺陷中(zhong)，晶(jing)格(ge)氧是影响氮化(hua)硅陶瓷热导(dao)率的主要缺陷之一(yi)。氧原子在烧结(jie)的过程中(zhong)会发生固溶反应(ying)，生成(cheng)硅空位(wei)，并且原子取(qu)代会使晶(jing)体产生一(yi)定的畸变(bian)，这些都会引(yin)起声子的散射，从而降低Si₃N₄晶(jing)体(ti)的(de)热导(dao)率(lv)。因此通过降(jiang)低(di)晶(jing)格氧含量(liang)来制得高热导(dao)率(lv)的(de)氮化硅显得尤为关键(jian)。

而影响最(zui)终Si₃N₄烧(shao)结体微观结构的重要因(yin)素，除了原料和制备工艺，还有烧(shao)结助剂。Si₃N₄属于共(gong)价(jia)化(hua)合物，有着很小的(de)(de)自扩散(san)系(xi)数，在烧结(jie)过程中(zhong)依靠(kao)自身(shen)扩散(san)很难形成致密(mi)化(hua)的(de)(de)晶(jing)体(ti)结(jie)构，因此添加合适的(de)(de)烧结(jie)助剂和(he)优化(hua)烧结(jie)助剂配(pei)比能(neng)得到高热导率的(de)(de)氮化(hua)硅陶瓷。

通过添加合适的烧结(jie)助(zhu)剂获得(de)致密的氮化(hua)硅陶瓷结(jie)构

在制备Si₃N₄陶瓷(ci)时，MgO、Al₂O₃和(he)Y₂O₃等(deng)是常(chang)用的烧结助(zhu)剂，但这些氧(yang)化物(wu)助(zhu)剂的引入(ru)会提升材料中的氧(yang)含量，不(bu)利(li)于Si₃N₄陶(tao)瓷热(re)导率的提高(gao)。为(wei)了(le)提高(gao)Si₃N₄陶瓷(ci)的热导率，许多(duo)国内外学(xue)者在开发非氧化物新(xin)体系烧结(jie)助剂投入(ru)了大量的研(yan)究。

近些年采用MgSiN₂作(zuo)为烧结助剂逐渐引起(qi)研(yan)究者(zhe)的关注(zhu)。

MgSiN₂的晶体结构与AlN类似，是一种热学性能优异的高热导材料，在全致密情况下，其理论热导率达到75 W/m·K，其高导热性，不仅可以用作高热导陶瓷基板材料和理想的封装材料，同时其可以作为烧结助剂制备高热导氮化硅陶瓷。MgSiN₂作为(wei)烧结(jie)助剂(ji)时，能够净化Si₃N₄晶(jing)粒(li)，降低氮化硅(gui)(gui)晶(jing)格氧含量，增强晶(jing)粒(li)生长，从而大幅提(ti)高氮化硅(gui)(gui)陶瓷的热导率(lv)，是当前公认助剂体系中必备(bei)成分之(zhi)一。

MgSiN2结构示意(yi)图

（与AlN的区别是在Al³⁺的位(wei)置上(shang)分别替代为Mg²⁺和Si⁴⁺原子）

下(xia)图展示了(le)日本(ben)研究(jiu)人员以MgSiN₂作(zuo)为烧结助剂时(shi)，获得了低晶格氧含量、高(gao)热导率氮化硅陶瓷的实验结果，表明了MgSiN₂对提(ti)高热导率(lv)氮化硅陶瓷热导率(lv)的积极(ji)作用。

以MgSiN₂作为烧(shao)结助剂制备低晶格氧(yang)含(han)量、高热(re)导率(lv)氮化硅陶瓷(ci)

尽管MgSiN₂有诸多优(you)(you)异性质及现实(shi)应(ying)(ying)用，但国内(nei)目(mu)前尚未形(xing)(xing)成该产(chan)品的稳定(ding)供应(ying)(ying)，其应(ying)(ying)用优(you)(you)势无法释放，这(zhei)也(ye)部分(fen)制约了国内(nei)高热导氮化(hua)硅(gui)陶瓷量产(chan)进(jin)程。造成上述症结的根(gen)本原因在于，目(mu)前国内(nei)尚未形(xing)(xing)成MgSiN₂的(de)高品质(zhi)、批量化(hua)、低(di)成本(ben)制(zhi)备技术(shu)。

MgSiN₂作为烧结助剂能更好(hao)地发挥(hui)降低氮化硅(gui)晶格(ge)氧含量的作用，因此，制备高(gao)纯(chun)度、性能稳(wen)定的 MgSiN₂成为(wei)应用(yong)的关键。

针对这一难题，齐鲁中科光(guang)物院的研究(jiu)人(ren)员(yuan)通过上百次尝(chang)试及(ji)与客户(hu)互动，成功(gong)开发(fa)了高品质的MgSiN₂粉(fen)体(ti)的批量制备工艺，粉(fen)体(ti)纯度达到99%、氧含量和其他杂质含量低，在此基础上，已完成中试及规模化生产验证，实现了MgSiN₂粉体(ti)的高品(pin)质、批量化、低成本制备，有望推进国内高热(re)导氮化硅陶(tao)瓷基板产(chan)业化的飞(fei)速(su)发展。

齐鲁中科光物院制(zhi)备(bei)的高(gao)纯MgSiN₂粉体(ti)

样(yang)品(pin)测试参(can)数如下表(biao)：

除高热导氮化硅专用MgSiN₂烧(shao)结助剂外，齐鲁(lu)中科光物院(yuan)已在中试(shi)规模实(shi)现了(le)自制高热导专用(yong)Si₃N₄粉的小(xiao)批量生产，利用自产高热导(dao)专用Si₃N₄粉(fen)及自产MgSiN₂烧结助(zhu)剂，已(yi)在实验室实现热导率120W/m·K陶瓷(ci)制备，目前，研发人员正在(zai)集中攻关(guan)高热导专用(yong)Si₃N₄粉的稳定批量生(sheng)产。

氮化硅陶(tao)瓷(ci)基(ji)板电子封装领域的(de)应用范围越(yue)来(lai)越(yue)广，然而相对于(yu)早已有(you)成熟产(chan)(chan)品的(de)国外，我国的(de)氮化硅陶(tao)瓷(ci)基(ji)板的(de)发(fa)展仍处于(yu)起步阶段，在(zai)高(gao)性能(neng)粉体及高(gao)导(dao)热基(ji)板的(de)制备(bei)生产(chan)(chan)上仍有(you)一定(ding)的(de)差距。深入了解材料的(de)作(zuo)用机理，从原材料入手，从(cong)根(gen)源(yuan)上“对症下药”，才能让我国的陶瓷基板产业更上一个台阶。高品(pin)质原料(liao)粉体的(de)稳定供(gong)应，无疑是给(ji)诸多陷入瓶颈的陶瓷基板厂商(shang)注入一针“强心剂”，期待它给我国氮化硅陶瓷基板产业发展带来的助推作用。

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