中國粉體網(wǎng)訊 熱導(dǎo)率又稱導(dǎo)熱系數(shù)，是指材料直接將熱能由高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域的能力。對于陶瓷材料來說，通過特定方法增加陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，將會提高其熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射的能力。
高導(dǎo)熱陶瓷材料的分類
高導(dǎo)熱系數(shù)陶瓷材料一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等為主，如AlN、BeO、Si3N4、SiC、BN等。
PCD陶瓷
金剛石的傳熱能力很強(qiáng)，其單晶體在常溫下熱導(dǎo)率理論值為1642W/m·K，實(shí)測值為2000W/m·K。但金剛石大單晶難以制備，且價格昂貴。聚晶金剛石燒結(jié)過程中往往需要加入助燒劑以促進(jìn)金剛石粉體之間的粘結(jié)，從而得到高導(dǎo)熱PCD陶瓷。但在高溫?zé)Y(jié)過程中，助燒劑會催化金剛石粉碳化，使聚晶金剛石不再絕緣。金剛石小單晶常被作為提高陶瓷熱導(dǎo)率的增強(qiáng)材料添加到導(dǎo)熱陶瓷中，以起到提高陶瓷導(dǎo)熱率的作用。
SiC陶瓷
目前碳化硅是國內(nèi)外研究較為活躍的導(dǎo)熱陶瓷材料。碳化硅陶瓷具有高溫強(qiáng)度大、耐磨損性能好、熱膨脹系數(shù)小、高溫氧化性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于密封環(huán)、研磨介質(zhì)、精密軸承零部件、防彈板、噴嘴等領(lǐng)域。
SiC的理論熱導(dǎo)率非常高，已達(dá)到270W/m·K，其熱導(dǎo)率超過金屬銅，是Si的3倍，是GaAs的8~10倍。但由于SiC陶瓷材料的表面能與界面能的比值低，即晶界能較高，因而很難通過常規(guī)方法燒結(jié)出高純致密的SiC陶瓷。采用常規(guī)的燒結(jié)方法時，必須添加助燒劑且燒結(jié)溫度必須達(dá)到2500℃以上，但這種燒結(jié)條件又會引起SiC晶粒長大，大幅降低SiC陶瓷的力學(xué)性能。
Si3N4陶瓷
氮化硅陶瓷因具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨性和獨(dú)特的電性能而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化學(xué)、電子、原子能及航空航天等領(lǐng)域。單晶氮化硅的理論熱導(dǎo)率可達(dá)400W/(m·K)，具有成為高導(dǎo)熱基片的潛力。此外Si3N4的熱膨脹系數(shù)為3.0×10-6℃左右，與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好。但由于氮化硅的結(jié)構(gòu)比AlN的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對聲子的散射較大，因而在目前研究中，燒結(jié)出的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于氮化硅單晶，但同時這些特點(diǎn)也限制了其規(guī)模化推廣與應(yīng)用。
BeO陶瓷
BeO是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，由于BeO具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價鍵結(jié)構(gòu)，而且相對分子質(zhì)量很低，因此，BeO具有極高的熱導(dǎo)率，是氧化鋁的10倍左右，其室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)250W/(m·K)，與金屬的熱導(dǎo)率相當(dāng)，并且在高溫、高頻下，其電氣性能、耐熱性、耐熱沖擊性、化學(xué)穩(wěn)定性俱佳。但BeO陶瓷的致命缺點(diǎn)是其劇毒性，長期吸入BeO粉塵會引起中毒甚至危及生命，并會對環(huán)境造成污染，這極大影響了BeO陶瓷基片的生產(chǎn)和應(yīng)用。
AlN陶瓷
氮化鋁屬于共價鍵化合物，是一種綜合性能優(yōu)異的陶瓷材料。其熱導(dǎo)率為Al2O3的8~10倍，價格又遠(yuǎn)低于立方氮化硼，且所需的助燒劑不具備氧化鈹（BeO）的毒性。由于AlN高熱導(dǎo)率、極強(qiáng)的耐熱性、低介電常數(shù)和損耗、與 Si 匹配的線膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特性，被視為最有發(fā)展前景的新一代優(yōu)良絕緣散熱基片材料。
若想制備出高導(dǎo)熱的AlN陶瓷，需要添加適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑。常見的AlN陶瓷助燒劑有：Y2O3、CaCO3、CaF2、YF3等。添加助燒劑燒結(jié)高導(dǎo)熱AlN陶瓷的方法目前已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，但是由于AlN 陶瓷燒結(jié)時間長、燒結(jié)溫度高、高品質(zhì)AlN粉價格貴等原因，導(dǎo)致AlN陶瓷制作成本極高。
高導(dǎo)熱陶瓷材料的應(yīng)用
高導(dǎo)熱率陶瓷的應(yīng)用范圍十分廣泛，其中最為重要的是作為陶瓷基板的應(yīng)用。隨著電子元器件的輕、薄、短、小化，混合型集成度大幅度增加，其功率和密度也隨之增大，使得單位體積的發(fā)熱量迅速增加，這對新一代線路板的散熱提出了新的要求，陶瓷基板作為一種具有高導(dǎo)熱系數(shù)的基板，廣泛應(yīng)用功率電子、電子封裝、混合微電子與多芯片模塊等領(lǐng)域，尤其是手機(jī)基板對于高導(dǎo)熱率陶瓷材料的應(yīng)用市場需求很大。
高導(dǎo)熱率陶瓷基板材料對其基本特性的要求是：導(dǎo)熱系數(shù)大、機(jī)械強(qiáng)度高、高絕緣性、熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體相當(dāng)、易于同金屬導(dǎo)體復(fù)合以及化學(xué)穩(wěn)定性好、介電損耗小。目前已投入使用的高導(dǎo)熱陶瓷基板材料有Si3N4、AlN、SiC和BeO等。從性能、成本和環(huán)保等因素考慮，BeO基板生產(chǎn)成本高且有劇毒，其應(yīng)用都受到限制。而AlN陶瓷雖然無毒、高溫穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，但是其高成本限制了廣泛應(yīng)用。目前來看，Si3N4陶瓷具有硬度大、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、高溫蠕變小、抗氧化性能好、熱腐蝕性能好、摩擦系數(shù)小等諸多優(yōu)異性能，成為最具有吸引力的高強(qiáng)高導(dǎo)熱電子器件基板材料。
參考資料：
江期鳴、黃惠寧等.高導(dǎo)熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與前景分析
張偉儒.氮化硅：未來陶瓷基片材料的發(fā)展趨勢
倪紅軍.高導(dǎo)熱AlN陶瓷基片制備技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
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