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氮化硅基板提高热导率势在必行
2021年10月13日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:1462
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进入智能化信息时代后,半导体器件迅速占领了我们的生活。由于工件产生的热量是引起半导体器件失效的关键因素,因此为了避免器件失效引起的诸多麻烦,保证其长期有效安全运行,必须要配备高效的散热系统。

目前行业针对“散热”所作的工作中,更换新型功率陶瓷基板是非常重要的一环。极好的耐高温、耐腐蚀、热导率高、机械强度高、热膨胀系数与芯片相匹配及不易劣化等特性使得陶瓷基板与金属、塑料等材质相比更具优势,适用于具备高发热量的产品与恶劣的户外环境,因此越来越广为大众接受。

氮化硅陶瓷基板的性能

陶瓷基板对半导体集成电路主要起着以下几个作用:为芯片和电子元件提供机械支撑和环境保护;提供散热通道,避免局部温度过高,有助于器件可靠性提高。目前能够满足这些要求的陶瓷基板材料主要有氧化铝氮化铝、氧化铍、氮化硅等。

三种陶瓷的性能对比

其中氮化硅陶瓷的优势在于,它是一种综合性能极其优秀的特种陶瓷,具有高强度、高硬度、高电阻率、良好的抗热震性、低介电损耗和低膨胀系数等特点,各方面性能较平衡,是综合性能最好的结构陶瓷材料。而电力电子器件在高铁、电动汽车等领域常常要面临颠簸、震动等复杂的力学环境,因此氮化硅陶瓷优秀的力学性能恰恰使其在上述领域拥有了较强的竞争力。

至于热学性能,Lightfoot和Haggerty曾根据Si3N4结构提出氮化硅的理论热导率在200~300 W/(m·K),因此按理来说氮化硅在散热上还是很有点潜力的。不过理想是丰满的,现实却是骨感的,氮化硅与其他陶瓷材料相比,入门门槛高,不仅技术难度大,而且加工成本高,目前能够商业化的氮化硅基板热导率基本在85-95W/m•K之间,更高热导率的基板(>150 W/(m·K))则还处于实验室阶段。

提高热导率势在必行

力学性能有了,就得补一补短板,整整热学性能。氮化硅的主要传热机制是晶格振动,通过声子来传导热量。晶格振动并非是线性的,晶格间有着一定的耦合作用,声子间会发生碰撞,使声子的平均自由程减小。另外,Si3N4晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起声子的散射,也等效于声子平均自由程减小,从而降低热导率。

氮化硅烧结体的典型微观结构

研究表明,在诸多晶格缺陷中,晶格氧是影响氮化硅陶瓷热导率的主要缺陷之一[30]。氧原子在烧结的过程中会发生如下的固溶反应:

2SiO2→2SiSi+4ON+VSi

反应中生成了硅空位,并且原子取代会使晶体产生一定的畸变,这些都会引起声子的散射,从而降低Si3N4晶体的热导率。为了降低晶格氧含量,可从原料的选择、烧结助剂的选择和制备过程中碳的还原等方面入手:

原料粉体选择

为了降低氮化硅晶格中的氧含量,要先得从原料粉体上降低杂质氧的含量。目前有两种方法一种是使用低含氧量的Si为原料,经过Si粉的氮化和重烧结两步工艺获得高致密、高导热的Si3N4陶瓷——即将由Si粉和烧结助剂组成的Si的致密体在氮气气氛中加热到Si熔点(1414℃)附近的温度,使Si氮化后转变为多孔的Si3N4烧结体,再将氮化硅烧结体进一步加热到较高温度,使多孔的Si3N4烧结成致密的Si3N4陶瓷另外一种是使用氧含量更低的高纯α-Si3N4进行烧结,或者直接用β-Si3N4进行烧结。

不同原料制备的Si3N4材料的热导率比较


烧结助剂选择

氮化硅属于强共价键化合物,依靠固相扩散很难烧结致密,必需添加烧结助剂,如MgO、Al2O3CaO和稀土氧化物等,在烧结过程,添加的烧结助剂中可以与氮化硅粉体表面的原生氧化物发生反应,形成低熔点的共晶熔液,利用液相烧结机理实现致密化。然而,烧结助剂所形成的晶界相自身的热导率较低,对氮化硅陶瓷热导率也会有不利影响(比如说Al2O3烧结助剂在高温下会与氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶体,造成晶界附近的晶格发生畸变,对声子传热产生阻碍

因此为了进一步提高液相中的氮氧比,降低晶格氧含量,科学家还试图采用非氧化物作为烧结助剂。Lee等经研究发现,相比于氧化物烧结添加剂,非氧化物MgSiN2和氟化物作为烧结添加剂能降低氮化硅的二次相和晶格氧含量,其中稀土氟化物能与SiO2反应生成SiF4,而SiF4的蒸发导致晶界相减少,同时也会导致晶界相SiO2还原,降低晶格氧含量,进而达到提高热导率的目的。

总而言之,选用适合的烧结助剂,制定合理的配方体系是提升氮化硅热导率的关键途径。相比于氧化物烧结助剂,非氧化物烧结助剂能额外提供氮原子,提高氮氧比,促进晶型转变,还能还原SiO2降低晶格氧含量,但它们很难从商业的渠道获得,不利于大规模生产综合考虑下,采用氧化物+非氧化物作为烧结助剂或许是一种性价比较高的可行之径。

氧化物添加剂(a)MgO-Y2O3(d)MgO-Yb2O3、混合添加剂(b)MgSiN2-Y2O3(e)MgSiN2-Yb2O3、非氧化物添加剂(c)MgSiN2-YF3(f)Mg-SiN2-YbF3的微观结构

碳的还原

如果觉得上述中烧结助剂的解决方案成本较高,这里还有一种更为简便、廉价的处理方法,那就是在烧结过程中掺杂一定量的碳,目前已有研究证明这能起到还原氧杂质的作用,是一种降低晶格氧含量的有效方法。

据悉,碳被广泛用作非氧化物陶瓷的烧结添加剂,其主要作用是去除非氧化物粉末表面的氧化物杂质。在此基础上,研究者发现少量碳的加入可以有效地降低AlN陶瓷的晶格氧含量,从而提高AlN陶瓷的热导率。同样地,在Si3N4陶瓷中引入碳也可以降低氧含量,主要是由于在氮化和后烧结过程中,适量的碳会起到非常明显的还原作用,能极大降低SiO的分压,增加晶间二次相的N/O原子比,从而形成双峰状显微结构,得到晶粒尺寸大、细长的氮化硅颗粒,提高氮化硅陶瓷的热导率

该方法对原料含氧量和烧结助剂的要求不高,降低了高导热氮化硅陶瓷的制备成本,随着技术的不断改进,有望在工业化生产中得到应用。

 

总结

或许会有人怀疑投入大量精力和成本去研发氮化硅陶瓷基板的必要性,但不能否认氮化硅陶瓷基板的应用确实正逐渐兴起。比如说新能源汽车中号称最强大脑”的IGBT,其制备离不开高导热陶瓷基板。看似选择很多,但氧化铝基板导热性能不,氮化铝基板力学性能不佳,在这种情况下若氮化硅基板若能突破瓶颈,那它必然是兴起的碳化硅MOSFET方案对陶瓷基板的不二选择总而言之,困难虽多但潜力尤佳,还是相当值得期待的。

 

资料来源:

高导热氮化硅陶瓷基板材料研究现状郑彧,童亚琦,张伟

高导热氮化硅陶瓷基板研究现状廖圣俊,周立娟,尹凯俐,王建军,姜常玺

 

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