中國(guó)粉體網(wǎng)訊  隨著我國(guó)高鐵、航天、軍工等領(lǐng)域的快速發(fā)展，未來(lái)對(duì)大功率電力電子器件的需求也將越來(lái)越大。為了適應(yīng)更加復(fù)雜、苛刻的應(yīng)用條件，大功率電力電子器件朝著高溫、高頻、低功耗以及智能化、模塊化、系統(tǒng)化方向發(fā)展，這對(duì)整個(gè)電子器件的散熱提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而功率器件中基板的作用是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳到熱沉上，實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換，所以制備高熱導(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。

中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所

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，人們將目光投向了金屬氧化物、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料等。主要應(yīng)用的散熱基板材料有Al₂O₃、AlN、BeO、SiC、BN、Si等。

3種陶瓷基板材料性能對(duì)比

與其他陶瓷材料相比，Si₃N₄陶瓷材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現(xiàn)出的耐高溫性能、對(duì)金屬的化學(xué)惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能。Si₃N₄陶瓷的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性都可達(dá)到AlN的２倍以上，特別是在材料可靠性上，Si₃N₄陶瓷基板具有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。目前，通過(guò)工藝優(yōu)化，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率不斷提高，目前已突破177W/(m·K)。

對(duì)于制備抗彎強(qiáng)度大且熱導(dǎo)率高的陶瓷基板來(lái)說(shuō)，制備出高性能Si3N4粉體是獲得高導(dǎo)熱陶瓷基板的基礎(chǔ)。不僅需要純度高，而且還需要滿足低氧、超細(xì)、高α相等指標(biāo)。因?yàn)檫@些指標(biāo)都會(huì)直接決定陶瓷基板中的缺陷(晶格氧、氣孔)、雜質(zhì)以及晶界尺寸，從而影響熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度。

Si₃N₄粉體有很多制備方法，常見的有直接氮化法、碳熱還原法、氣相法和自蔓延法高溫合成法。自蔓延高溫合成(SHS)又稱燃燒合成法，是近年來(lái)興起的一種制備無(wú)機(jī)化合物高溫材料的新技術(shù)。其原理是當(dāng)反應(yīng)物一旦被引燃，便會(huì)自動(dòng)向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播，直至反應(yīng)完全。80年代初期，美國(guó)、日本及歐洲各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都進(jìn)行了SHS技術(shù)的研究與開發(fā)；我國(guó)在80年代中后期開始引進(jìn)SHS技術(shù)。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）合成產(chǎn)物純度高；

（2）反應(yīng)周期以秒計(jì)，生產(chǎn)效率極高；

（3）設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，投資少，通用性強(qiáng)；

（4）無(wú)污染等。

此外，自蔓延高溫合成產(chǎn)物往往保持在亞穩(wěn)狀態(tài)，產(chǎn)物更加活潑，這對(duì)所合成陶瓷粉體的燒結(jié)性能是十分重要的。

需要注意的是，自蔓延高溫合成氮化硅時(shí)，氮化硅存在α和β兩種晶體相，β/α的值會(huì)對(duì)最終陶瓷基板的力學(xué)性能和熱導(dǎo)率有極大影響，因此控制氮化鋁粉體中的β/α值是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

中國(guó)粉體網(wǎng)將在山東濟(jì)南舉辦第一屆半導(dǎo)體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會(huì)，屆時(shí)，來(lái)自齊魯中科光物理與工程技術(shù)研究院研發(fā)負(fù)責(zé)人王良博士將帶來(lái)題為《高熱導(dǎo)基板用氮化硅陶瓷粉體的規(guī)模化燃燒合成技術(shù)及批量制備》的報(bào)告。報(bào)告人所在研究組自2002年成立以來(lái)，一直致力于燃燒合成高品質(zhì)Si3N4陶瓷粉體材料的理論和工藝研究，先后取得了“燃燒合成裝備大型化、燃燒反應(yīng)過(guò)程調(diào)控智能化以及工藝產(chǎn)品穩(wěn)定化”全方位的技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了可控的α/β比以及高一致性粉體的批量生產(chǎn)。所制備的粉體經(jīng)多方燒結(jié)驗(yàn)證，與進(jìn)口粉體燒成的Si3N4陶瓷制品在熱導(dǎo)率與抗彎強(qiáng)度方面基本相當(dāng)，有望實(shí)現(xiàn)高端Si₃N₄陶瓷粉體的國(guó)產(chǎn)化替代。

據(jù)了解，報(bào)告所涉及的項(xiàng)目是濟(jì)南市政府引進(jìn)的中科院理化所的項(xiàng)目，共建的單位為齊魯中科光物理與工程技術(shù)研究院。齊魯中科光物理與工程技術(shù)研究院主要開展激光、低溫及氫能源、新材料、生物醫(yī)藥等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和科研成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、人才引進(jìn)培養(yǎng)、高新技術(shù)企業(yè)孵化機(jī)引進(jìn)等工作。

專家介紹：

王良，男，助理研究員，2021年于中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所獲博士學(xué)位，主要從事氮化硅陶瓷材料的制備研究，發(fā)表SCI論文6篇，撰寫專利5項(xiàng)。

參考來(lái)源：

[1] 劉雄章等.高熱導(dǎo)率氮化硅散熱基板材料的研究進(jìn)展

[2]鄭彧等.高純氮化硅粉合成研究進(jìn)展

[3]張偉儒.第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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