近年来，随着电动汽车、可再生能源、智能电网和高效电源等应用的快速发展，功率半导体的全球市场规模持续增长，碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料更是凭借更高的电压、温度和频率性能，能够提供更好的效率等优点占据了越来越多的高端领域市场。但在另一方面，第三代半导体器件集成度和功率密度也在明显提高，相应工作产生的热量急剧增加。因此，电子封装系统的散热问题已成为影响其性能和寿命的关键。

氮化硅（Si₃N₄）陶瓷基板除了具有高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性能、优异的介电性能、气密性、与SiC晶体材料匹配的热膨胀系数等优势，相比氧化铝（Al₂O₃）、氧化锆（ZrO）等陶瓷材料，还拥有更高的导热性能（理论热导率为320W/(m·K)，商业产品热导率为90～120W/(m·k)），而在机械性能上，其抗弯强度、断裂韧性都可达到AlN的２倍以上，被称为是综合性能最好的陶瓷基板材料。不过，由于晶格排布和体相氧、物相组成、晶界相含量、陶瓷气孔及密度及其他杂质缺陷等因素影响，Si₃N₄陶瓷基板的实际热导率与理论热导率有很大差距。要充分发挥其导热性能，从粉体选择到成型烧结等制备环节都非常关键！

一、粉体选择

氮化硅的主要传热机制是晶格振动，通过声子来传导热量。而Si₃N₄ 结构相对复杂，各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起声子的散射，导致热导率降低。比如，粉体原料中存在的晶格氧在烧结的过程中会发生固溶反应生成硅空位，且原子取代会使晶体产生一定的畸变，从而引起声子的剧烈散射。而Al元素则固溶于Si₃N₄，将Si替换，形成低热导率的Sialon相（由Si₃N₄和Al₂O₃等元素组成的固溶体材料）。因此，在工业上制备高导热陶瓷基板时，要选择高纯度的Si₃N₄粉末作为原料，尤其避免引入氧（O）、铝（Al）元素。

氮化硅烧结体的典型微观结构（来源：参考文献1）

此外，原料粉体形貌也十分重要，小初始粒径、大比表面积、具备“自形”晶的粉体具有良好的烧结活性，对于制备高致密度的成品更有优势。

二、烧结助剂选择

氮化硅的强共价键使得其很难通过固相扩散达到烧结致密的目的，因此需要添加合适的烧结助剂，来实现其致密化。不过由于烧结助剂与Si₃N₄表面的SiO₂反应形成液相，最后形成晶界相，而晶界相热导率较低，且会导致Si₃N₄晶格氧含量增加，会极大地降低氮化硅的热导率。因此烧结助剂的选择应考虑3个方面

①首先应考虑活性好的烧结助剂，能够在低添加量的情况下实现高致密烧结，从而减少形成的晶界相；

②其次应考虑在烧结助剂在烧结过程中形成液较低相粘度，有利于氮化硅的相变以及晶粒的长大；

③最后应考虑烧结助剂形成的晶界相易于晶化，并形成高导热晶相。

目前氮化硅陶瓷的烧结助剂种类繁多，包括各种稀土氧化物、镁化物、氟化物和它们所组成的复合烧结助剂，其中稀土元素由于具有很高的氧亲和力可以从 Si₃N₄晶格中吸附氧，而MgO能够保障液相形成并制得高致密度的氮化硅陶瓷，因此Si₃N₄陶瓷比较常用的是镁的氧化物和稀土元素的氧化物组成的混合烧结助剂。不过，为了尽量避免O元素的引入，氮化硅镁（MgSiN₂）、氟化钇（YF₃）等也成为了制备高导热氮化硅陶瓷的常用助剂。

采用不同烧结助剂制备的氮化硅陶瓷热导率对比（来源：参考文献1）

三、成型阶段

无论是流延成型还是注浆成型，浆料都是决定素坯性能最关键的因素，浆料包括粉体、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和其他添加剂，每一种成分对浆料的性能都有重要影响，并且浆料中的各个组分也会互相产生影响，因此通过改善工艺、优化各组分的配比，制备出均匀稳定、粘度适中、润湿性良好的浆料，是制备高导热氮化硅陶瓷的关键。

此外值得一提的是，在高温烧结氮化硅陶瓷的过程中，原料低温相 α-Si₃N₄会经过溶解-沉淀机制转变为高温相 β-Si₃N₄，但由于 c 轴的生长速率大于 a 轴，这种各向异性生长导致了 β-Si3N4呈棒状，也导致了其导热性能的各向异性（β-Si3N4单晶体沿a 轴和c 轴的理论热导率分别为170 W/(m·K)、450 W/(m·K)），因此可以通过成型方法调控晶粒的定向排列来实现高热导率。目前采用将强磁场与流延成型、热压成型、注浆成型等基本成型方法复合的成型方法是氮化硅基板成型技术重要的发展方向，由于氮化硅晶体沿各晶轴方向的磁化率差异，在外加强磁场的作用下，氮化硅晶体会受到力矩的作用，通过旋转一定的角度以便具有最小的磁化能，因此能够实现晶粒的高定向排列。

利用强磁场结合传统成型方法制备氮化硅高导热陶瓷（来源：参考文献1）

不过现阶段，这种定向生长的氮化硅陶瓷还处于实验室阶段，大规模生产中仍很难实现，仍需要进一步进行研究。

四、烧结方法

β-Si3N4因为结构上更加对称，其热导率要高于 α-Si₃N₄。在高温烧结氮化硅陶瓷的过程中，原料低温相 α-Si₃N₄会经过溶解-沉淀机制转变为高温相 β-Si₃N₄，但是在烧结过程中晶型转变并不完全，未转变的 α-Si₃N₄会极大地影响氮化硅陶瓷的热导率。

为了促进晶型转变，得到更高的 β/(α + β)相比，可采取以下两种方式：

①烧结制度优化：适当提高烧结温度、延长烧结时间以及进行后续热处理都能在一定程度上促进晶型转变，同时随着溶解沉淀过程的进行，晶粒不断长大，晶格氧含量降低也会在一定程度上提高热导率。

②引入 β-Si₃N₄晶种：采用 β-Si₃N₄代替α-Si₃N₄为起始粉末可制备高导热氮化硅陶瓷，但也会导致烧结相对困难，需要在极高温度下才能实现致密化，同时也可能影响其抗弯强度，因此可在α-Si₃N₄中加入适量的 β-Si₃N₄棒状晶粒作为晶种，来提升β/(α + β)相比。

加入晶种后 β-Si₃N₄陶瓷的双模式组织分布

小结

氮化硅陶瓷由于潜在的高导热性能和优异的综合性能，在半导体功率器件中得到了越来越多的应用，但晶格缺陷、杂质元素、晶格氧含量、晶粒尺寸等因素限制了其实际热导率的发挥。为了更好发挥其导热性能，从粉体选择到成型烧结这一系列环节都很关键。除了可选择高纯度的原料粉体、优化烧结助剂配方、优化烧结制度等，也可结合新技术，如将强磁场与基本成型方法复合来实现氮化硅晶粒的定向排列，从而提升热导率。目前这种复合成型方法已成为氮化硅基板成型技术重要的发展方向，不过如何利用该技术实现大规模生产还需进一步研究。

参考文献：

1、廖圣俊,周立娟,尹凯俐,等.高导热氮化硅陶瓷基板研究现状[J].材料导报.

2、张伟儒.第3代半导体碳化硅功率器件用高导热氮化硅陶瓷基板最新进展[J].新材料产业.

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