中國粉體網(wǎng)訊  近年來，半導體器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發(fā)展。大功率半導體器件在風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、電動汽車、LED照明等領(lǐng)域都有廣泛的應用。由于任何半導體器件在工作時都有一定的損耗，且大部分損耗都已熱量形式揮散，并引起一定的器件失效事件。據(jù)統(tǒng)計，由熱引起的器件失效高達55%。

研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料具有更優(yōu)異的導熱性及力學性能，并具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點，是高端半導體器件，特別是大功率半導體器件基片的最佳材料。研究發(fā)現(xiàn)，基片材料應具有以下性能：①良好的絕緣性和抗電擊穿能力；②高的熱導率：導熱性直接影響半導體器件的運行狀況和使用壽命，散熱性差導致的溫度場分布不均勻也會使電子器件噪聲大大增加；③熱膨脹系數(shù)與封裝內(nèi)其他所用材料匹配；④良好的高頻特性：即低的介電常數(shù)和低的介質(zhì)損耗；⑤表面光滑，厚度一致：便于在基片表面印刷電路，并確保印刷電路的厚度均勻。

半導體器件用陶瓷基片材料之氮化硅

目前常用的基片材料主要包括：陶瓷基片、玻璃陶瓷基片、金剛石、樹脂基片、硅（Si）基片以及金屬或金屬基復合材料等。

目前已經(jīng)投入生產(chǎn)的應用的陶瓷基片材料主要包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al₂O₃）和氮化鋁（AlN）等。隨著半導體器件向大功率化、高頻化的不斷發(fā)展，對陶瓷絕緣基片的導熱性和力學性能都提出了更高的要求。目前，氮化硅是國內(nèi)外公認兼具高導熱高可靠性的最具應用前景的陶瓷基板材料。單晶氮化硅的理論熱導率可達400Ｗ•ｍ^-1•Ｋ^-1以上，具有成為高導熱基片的潛力。

Si₃N₄具有3種結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分別是α相、β相和γ相。其中α相和β相是Si₃N₄最常見的形態(tài)，均為六方結(jié)構(gòu)，可在常壓下制備。Si₃N₄陶瓷具有硬度大、強度高、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、與用油潤滑的金屬表面相似等諸多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。

三種陶瓷基板材料物理力學性能對比

高導熱氮化硅陶瓷材料的影響因素

★原料粉體的影響

原料粉體是影響陶瓷物理、力學性能的關(guān)鍵因素，特別是對于高導熱氮化硅陶瓷，原料粉體的純度、粒度物相會對氮化硅的熱導率、力學性能產(chǎn)生重要影響。

★燒結(jié)助劑的影響

氮化硅屬于強共價建化合物，依靠固相擴散很難燒結(jié)致密，必需添加燒結(jié)助劑，如MgO、Al₂O₃、CaO和稀土氧化物等，在燒結(jié)過程，添加的燒結(jié)助劑中可以與氮化硅粉體表面的原生氧化物發(fā)生反應，形成低熔點的共晶溶液，利用液相燒結(jié)機理實現(xiàn)致密化。需要注意的是并不是所有的燒結(jié)助劑的加入都能起到很好的燒結(jié)效果。對癥下藥才是王道，選擇合適的燒結(jié)助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導率的關(guān)鍵。燒結(jié)助劑按氧化物類大致分為氧化物類燒結(jié)助劑和非氧化物燒結(jié)助劑。其下又分為稀土氧化物燒結(jié)助劑（Y₂O₃、CeO和La₂O₃、Yb₂O₃）和CaO、MgO燒結(jié)助劑。

2020年10月29-30日，中國粉體網(wǎng)將在無錫舉辦“2020第三屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時，來自北京中材人工晶體研究院有限公司的鄭彧高工帶來題為《高導熱氮化硅基板關(guān)鍵技術(shù)及研發(fā)進展》的報告，屆時，鄭彧高工將從材料性能、原料、成型、燒結(jié)等角度全面系統(tǒng)闡述高導熱氮化硅基板制備關(guān)鍵技術(shù)，并對其未來前景進行展望。

專家介紹

鄭彧，北京中材人工晶體研究院有限公司，高級工程師。畢業(yè)于北京航空航天大學，獲材料學博士學位。長期從事高性能氮化硅陶瓷材料、陶瓷基復合材料等方向的研究工作。主持國家重點研發(fā)專項、北京市科技計劃、國家國際科技合作專項等多項國家及省部級重點項目，并參與多項國家科技支撐計劃項目等重大科研項目。以第一作者或通訊作者身份發(fā)表論文近30篇，其中SCI收錄論文10余篇，申報發(fā)明專利近10項。

參考資料：

張偉儒等.氮化硅：未來陶瓷基片材料的發(fā)展趨勢

鄭彧等.高導熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀

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