理论上，氮化硅（Si₃N₄）具有很高的热导率，因此业界认为它完全有潜力用作电子器件的主要陶瓷基材，尤其是新能源等高端领域，Si₃N₄陶瓷基板已以其独特的性能在IGBT模块封装中占据优势地位，风头一时无二。

氮化硅基板

具体Si₃N₄的热导率有多高呢？Lightfoot和Haggerty根据Si₃N₄结构提出氮化硅的理论热导率在200~300 W/m·K。Hirosaki等通过分子动力学的方法计算出两种氮化硅最容易出现的形式——α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的理论热导率，发现其沿a轴和c轴具有取向性，结果如下：

除此之外，Si₃N₄相比大热的氮化铝(AlN)，最明显的优势就是力学性能好。研究数据表明，AlN的弯曲强度为为300~400 MPa，断裂韧性为3~4 MPa·m^1/2，而Si₃N₄这俩数值分别为600~1000MPa，5~7 MPa·m^1/2，明显高出不少，这就意味着Si₃N₄基板在用于电路板时的安全可靠性更佳（如应用于新能源汽车时不怕颠簸）。下面是氮化硅与氮化铝以及最常用的氧化铝基板的强度及热导率对比图。

几种陶瓷基板的强度与热导率的比较

氮化硅基板的商业化关键

不过理想是丰满的，现实却是骨感的。目前采用常规方法制备的Si₃N₄陶瓷基板热导率测试值一直偏低，实际生产中一般在100W/m·K以内，严重影响了氮化硅陶瓷基板的推广应用进程。

要提高Si₃N₄陶瓷基板的热导率，就得从根本上解决。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，尤其是晶粒尺寸大于1μm时（一般而言，陶瓷热导率会随着晶粒增大而增加），因此通过降低晶格氧含量来制得高热导率的Si₃N₄陶瓷尤为关键。

晶格氧是影响氮化硅陶瓷热导率的主要缺陷

（图：氮化硅烧结体的典型微观结构）

目前可知的是，晶格氧含量增加的其中一个途径是促进Si₃N₄陶瓷烧结的氧化物烧结助剂。这些烧结助剂除了导致晶格氧含量上升导致Si₃N₄热导率降低外，它们在高温下也会与Si₃N₄表面的SiO₂反应形成液相，最后形成热导率只有0.7~1 W/m·K的晶界相，进一步拖低Si₃N₄的热导率。

但由于Si₃N₄属于共价化合物，自扩散系数很小，在烧结过程中依靠自身扩散很难形成致密化的晶体结构，因此绝不能因噎废食，选择不添加烧结助剂。于是为了两全其美，业界开始使用非氧化物作为烧结助剂——比如说MgSiN₂就是一种新崛起的，颇具前景的，可作为烧结助剂制备高热导氮化硅陶瓷的新材料。

MgSiN2结构示意图

（与AlN的区别是在Al³⁺的位置上分别替代为Mg²⁺和Si⁴⁺原子）

MgSiN₂作为烧结助剂的优势

首先，MgSiN₂本身是一种热学性能优异的高热导材料，在全致密情况下，其理论热导率达到75 W/m·K。这么高的导热性，不仅可以用作高热导陶瓷基板材料和理想的封装材料，同时其可以作为烧结助剂制备高热导氮化硅陶瓷。

其次，MgSiN₂作为烧结助剂时，能够净化Si₃N₄晶粒，降低氮化硅晶格氧含量，增强晶粒生长，从而大幅提高氮化硅陶瓷的热导率，因此是当前公认必备助剂体系成分之一。下图中就是研究人员以MgSiN₂作为烧结助剂时，获得了低晶格氧含量、高热导率氮化硅陶瓷的实验结果，清楚地表明了MgSiN₂对提高热导率氮化硅陶瓷热导率的积极作用。

以MgSiN2作为烧结助剂制备低晶格氧含量、高热导率氮化硅陶瓷

不过，尽管MgSiN₂有诸多优异性质及现实应用，但在国内目前尚未形成该产品，其应用优势无法释放，导致了Si₃N₄陶瓷的性能提升缓慢。造成上述症结的根本原因在于目前国内尚未形成MgSiN₂的高品质、批量化、低成本制备技术。

针对这一难题，齐鲁中科光物院的研究人员通过上百次尝试，成功制备了高品质的MgSiN₂粉体，其相组成如下图所示。在此基础上，还实现了中试及规模化生产，以及MgSiN₂粉体的高品质、批量化、低成本制备，有望推进国内高热导氮化硅陶瓷基板产业化的飞速发展。

齐鲁中科光物院制备的高纯MgSiN₂粉体

样品测试参数如下表：

结语

现阶段，将高热导率氮化硅陶瓷用于电子器件的基板材料仍是国内面临的一大难题。为了不断提高Si₃N₄陶瓷基板材料的实际热导率，必须要深入了解材料的作用机理，从原材料入手，从根源上“对症下药”。

齐鲁中科光物院在MgSiN₂烧结助剂上的突破，对我国陶瓷基板产业的发展无疑有着重要意义——国产氮化硅基板能否步入新能源等高端领域，就与这些高品质原料粉体的稳定供应密切相关。目前，齐鲁中科光物正集中攻关高热导专用Si₃N₄粉的稳定批量生产，让我们一起期待来自他们的更多成果！

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