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氮化硅(Si₃N₄)具有高強度、高韌性(xing)、耐熱(re)沖擊性(xing)、耐磨損和耐腐蝕(shi)等性(xing)能(neng)，是一(yi)種(zhong)應用廣泛的高性(xing)能(neng)結構(gou)材料，除此之(zhi)外，Si₃N₄陶瓷還具有良好的(de)抗氧化性、熱膨脹系數與SiC等半導體材料接近、電絕緣性好、介電常數低、無毒等性能，被認為是一種很有潛力的高速電路和大功率器件散熱和封裝材料。

Si₃N₄陶瓷的理論熱導率(lv)雖(sui)然很高（單晶(jing)理論熱導率(lv)高達320 W/m·K），但采用常規方法制備的Si₃N₄陶(tao)瓷基板熱導(dao)率測試值卻(que)較低，實際生(sheng)產(chan)一般在100W/m·K以內，影響了氮化硅陶瓷基板的推廣應用進程。

那么都是(shi)哪些因素影響了氮化硅陶瓷基板的熱導率呢？

研究表(biao)明，這跟Si₃N₄陶瓷燒結后的微觀結構密切相關，其影響(xiang)因素主要有致(zhi)密化程度(du)、氧含量、晶間(jian)相(xiang)組成和含量等。

Si₃N₄燒結體的典(dian)型微觀結構

由(you)于(yu)氮化(hua)硅的(de)主要傳(chuan)熱機制是晶(jing)格振動，通過(guo)聲子來傳(chuan)導熱量。晶(jing)格振動并非是線性(xing)的(de)，晶(jing)格間(jian)(jian)有著一定(ding)的(de)耦(ou)合作用，聲子間(jian)(jian)會發生碰撞，使聲子的(de)熱量傳(chuan)遞受到一定(ding)的(de)阻(zu)礙。另(ling)外(wai)，Si₃N₄晶體中的各種(zhong)缺陷、雜質以及晶粒界面(mian)都會引(yin)起聲子的散射，也一定程度降(jiang)低(di)(di)了聲子傳(chuan)導效率，從而(er)降(jiang)低(di)(di)熱導率。

其中(zhong)(zhong)，在諸多晶格缺陷(xian)中(zhong)(zhong)，晶格氧(yang)是影響(xiang)氮化硅(gui)陶瓷熱導率的(de)主要缺陷(xian)之(zhi)一。氧(yang)原子在燒結(jie)的(de)過程中(zhong)(zhong)會發生固溶(rong)反應，生成硅(gui)空位，并且原子取代會使晶體(ti)產生一定的(de)畸變，這些都會引起聲子的(de)散射，從而降低Si₃N₄晶(jing)體的熱導率。因(yin)此通過降低晶(jing)格氧含(han)量來制得高熱導率的氮化硅顯得尤為關(guan)鍵(jian)。

而(er)影響(xiang)最終Si₃N₄燒結(jie)體(ti)微觀結(jie)構的(de)重要因素，除了原料和制(zhi)備工藝，還有燒結(jie)助劑。Si₃N₄屬于(yu)共價化合物，有著很小的(de)自擴(kuo)(kuo)散系數，在(zai)燒結過程中依靠自身擴(kuo)(kuo)散很難形成致密化的(de)晶體(ti)結構(gou)，因此添加(jia)合適的(de)燒結助劑(ji)和(he)優化燒結助劑(ji)配比能得(de)到高熱導率的(de)氮(dan)化硅陶瓷。

通(tong)過添加合適的(de)燒結助劑獲得致密(mi)的(de)氮化硅陶瓷結構

在制備Si₃N₄陶瓷時，MgO、Al₂O₃和Y₂O₃等是常(chang)用的燒(shao)結助劑(ji)，但(dan)這些氧(yang)化物助劑(ji)的引入(ru)會(hui)提升材料中的氧(yang)含量，不(bu)利于Si₃N₄陶瓷熱導(dao)率的提高。為了提高Si₃N₄陶(tao)瓷(ci)的熱(re)導率，許(xu)多(duo)國內外學者在開發非氧化物新體系燒(shao)結助劑投(tou)入了大量的研(yan)究(jiu)。

近些年采用MgSiN₂作為燒結助劑(ji)逐漸引起研(yan)究者的關注。

MgSiN₂的晶體結構與AlN類似，是一種熱學性能優異的高熱導材料，在全致密情況下，其理論熱導率達到75 W/m·K，其高導熱性，不僅可以用作高熱導陶瓷基板材料和理想的封裝材料，同時其可以作為燒結助劑制備高熱導氮化硅陶瓷。MgSiN₂作為燒結助劑時(shi)，能(neng)夠凈(jing)化(hua)Si₃N₄晶(jing)粒，降低(di)氮化(hua)硅晶(jing)格氧含量(liang)，增強晶(jing)粒生長，從而大幅提高(gao)氮化(hua)硅陶瓷(ci)的熱導率，是當前公認助(zhu)劑體系(xi)中必(bi)備(bei)成分之(zhi)一。

MgSiN2結構示(shi)意圖

（與AlN的區別是在Al³⁺的位(wei)置上(shang)分別(bie)替代為Mg²⁺和Si⁴⁺原子）

下圖展(zhan)示了日(ri)本研究人員以(yi)MgSiN₂作為燒結助劑(ji)時(shi)，獲得了低(di)晶格氧含量、高熱導率氮化硅陶瓷的實驗(yan)結果，表明了MgSiN₂對提(ti)高熱(re)導(dao)率(lv)(lv)氮化硅陶瓷熱(re)導(dao)率(lv)(lv)的(de)積極作用。

以MgSiN₂作(zuo)為燒結助劑制備(bei)低晶(jing)格氧含量、高熱(re)導率氮化(hua)硅陶瓷

盡管MgSiN₂有諸多優異性質及現(xian)實應(ying)用(yong)，但(dan)國內(nei)目前尚(shang)未(wei)形成(cheng)該產(chan)品(pin)的(de)穩定(ding)供應(ying)，其應(ying)用(yong)優勢無法釋放，這也部分制約了國內(nei)高熱導(dao)氮化硅陶瓷量產(chan)進(jin)程。造(zao)成(cheng)上(shang)述(shu)癥結的(de)根(gen)本原因在于，目前國內(nei)尚(shang)未(wei)形成(cheng)MgSiN₂的高品質、批量化、低成本制備(bei)技(ji)術。

MgSiN₂作為燒(shao)結助劑能更好地發揮降(jiang)低氮化(hua)硅晶格氧含量的(de)作用，因此(ci)，制備高(gao)純(chun)度、性(xing)能穩定(ding)的(de) MgSiN₂成為應(ying)用的關鍵。

針對這一難題(ti)，齊魯(lu)中科光物院的(de)研究(jiu)人員通過上百次嘗試及與客戶互動，成(cheng)功開發了高(gao)品質的(de)MgSiN₂粉體的批量制備(bei)工(gong)藝，粉體純度達到99%、氧含量和其他雜質含量低，在此基礎上，已完成中試及規模化生產驗證，實現了MgSiN₂粉體的高品質、批量(liang)化、低成本制備(bei)，有望推進國內高熱導氮化硅陶瓷(ci)基(ji)板產業化的飛速(su)發(fa)展。

齊魯中(zhong)科(ke)光(guang)物院制(zhi)備的高純MgSiN₂粉體

樣品測試(shi)參數如下表：

除高熱導氮化硅專用MgSiN₂燒(shao)結助劑外(wai)，齊魯中科光物院已在中試規模實現了自制高熱(re)導專用Si₃N₄粉的小批量生產，利用自產高熱導專用Si₃N₄粉及自產MgSiN₂燒結(jie)助劑，已在實驗(yan)室實現熱導率120W/m·K陶瓷制備，目前，研發人員正(zheng)在集中攻關高熱導專用Si₃N₄粉的(de)穩(wen)定批量生(sheng)產。

氮(dan)化硅(gui)陶(tao)瓷(ci)基(ji)板(ban)(ban)電(dian)子封(feng)裝(zhuang)領域的(de)(de)應用范圍越(yue)來越(yue)廣，然而相對于早已有(you)成(cheng)熟產品的(de)(de)國(guo)外，我(wo)國(guo)的(de)(de)氮(dan)化硅(gui)陶(tao)瓷(ci)基(ji)板(ban)(ban)的(de)(de)發展仍處于起步階段，在高性(xing)能粉(fen)體(ti)及高導熱基(ji)板(ban)(ban)的(de)(de)制備生產上仍有(you)一定(ding)的(de)(de)差距。深入(ru)了(le)解材料的(de)(de)作用機理，從原材料(liao)入手，從根源(yuan)上“對癥下藥”，才能讓我國的陶瓷基板產業更上一個臺階。高品(pin)質原料粉體的穩定(ding)供應，無疑是給諸(zhu)多陷入(ru)瓶(ping)頸(jing)的(de)陶(tao)瓷基板廠商注入(ru)一針“強心劑”，期待它給我國氮化硅陶瓷基板產業發展帶來的助推作用。

粉體圈(quan)小(xiao)吉(ji)

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