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氮化硅(Si3N4)具有強度高、硬度大、抗熱震性能好、耐磨損、耐腐蝕等優異特性,被認為是綜合性能最好的陶瓷材料。目前市場中高導熱氮化硅陶瓷熱導率一般在80~90W/(m·k),其抗彎強度和斷裂韌性是AlN的兩倍,且具有優異的抗熱震穩定性,氮化硅陶瓷基板的使用可大幅提高電子器件的工作可靠性,在大功率IGBT和第三代半導體(SiC/GaN)功率器件封裝中有很大的市場應用潛力。

氮化硅陶瓷熱導率關鍵影響因素——燒結助劑

圖 氮化硅基板,來源:MARUWA
許多研究已經證明氮化硅的理論熱導率非常高,但實際中多晶氮化硅陶瓷的熱導率明顯低于理論單晶熱導率。在研究影響氮化硅陶瓷導熱性能中發現,燒結助劑對制備高導熱氮化硅陶瓷具有非常重要的作用。
1.燒結助劑的作用機理
氮化硅是以共價鍵結合為主的化合物,其Si–N共價鍵含量高達70%。由于鍵合強大,原子擴散系數小,純氮化硅很難燒結致密,因此在燒結過程中必須添加燒結助劑來促進氮化硅燒結反應的進行。燒結助劑能在較低溫度下產生液相,大大促進顆粒重排和傳質過程。

氮化硅陶瓷熱導率關鍵影響因素——燒結助劑

圖 液相燒結組織形貌變化示意圖
由于氮化硅本身自擴散系數小,難以燒結致密,燒結助劑的加入可以與氮化硅顆粒表面的二氧化硅以及氮化硅本身形成低溫液相,液相的存在可以促使原子擴散,有利于氮化硅顆粒重排、溶解和析出,加速α-Si3N4向β-Si3N4轉變,降低氮化硅陶瓷致密化溫度。

氮化硅陶瓷熱導率關鍵影響因素——燒結助劑

圖 氮化硅陶瓷液相燒結示意圖
燒結助劑對陶瓷致密化、晶相轉變、微觀組織和總氧含量起著關鍵作用,同時晶粒通過“溶解–沉淀”機制長大,燒結助劑也起到凈化氮化硅晶格的作用,因此選擇合適的燒結助劑非常重要。
2.高導熱氮化硅陶瓷用燒結助劑的種類
1)稀土氧化物燒結助劑
稀土氧化物陽離子普遍為+3價,同時具有較強的陽離子場強(z/r2),非常適合作為氮化硅陶瓷燒結助劑。稀土氧化物燒結助劑種類不同對氮化硅陶瓷熱導影響較大。單一稀土氧化物燒結助劑稀土離子半徑越小,氮化硅陶瓷熱導率越高。Y2O3和Yb2O3是目前最常用的兩種稀土氧化物燒結助劑。Y2O3–MgO復合燒結助劑是制備高導熱氮化硅陶瓷比較理想的燒結助劑體系,且選擇適當含量的燒結助劑有利于提高氮化硅陶瓷熱導率。
2)非氧化物燒結助劑
雜質氧是影響氮化硅陶瓷導熱性能的關鍵因素。氮化硅陶瓷中的氧主要是由粉體中的氧、燒結氣氛中雜質氧和燒結助劑中的氧組成。為降低陶瓷中的氧含量,獲得更高的熱導率,一些學者針對非氧化物燒結助劑做了一系列研究,如MgSiN2、稀土金屬氫化物(ReH2)、硼化物(LaB6)等。
選擇合適的燒結助劑是獲得高導熱氮化硅陶瓷的關鍵,其通過提高氮化硅材料的燒結活性,優化顯微結構,改變晶界相組成以及含量,進而提高氮化硅陶瓷的導熱性能。

資料:

1.高導熱氮化硅陶瓷用燒結助劑的研究進展,王月隆, 等.

2.以非氧化物為燒結助劑制備高導熱氮化硅陶瓷的研究進展,王偉明,等.

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氮化硅陶瓷熱導率關鍵影響因素——燒結助劑
推薦活動:【邀請函】第二屆陶瓷封裝產業論壇(11月22日·石家莊)
第二屆陶瓷封裝產業論壇
The 2nd Ceramic Packages Industry Forum
2024年11月22日

河北·石家莊

一、會議議題

 

序號

暫定議題

演講單位

1

薄膜技術在封裝中的應用

中電科四十三所 車江波 研究員/主任

2

陶瓷封裝技術在半導體器件領域的應用

北京大學東莞研究院 鄭小平 研究員/項目總監

3

傳感器技術的發展及陶瓷封裝的應用趨勢

鄭州中科集成電路與系統應用研究院 先進封測中心主管 周繼瑞

4

集成電路高可靠陶瓷封裝的發展概況

睿芯峰

5

微電子封裝用封接玻璃的開發

天力創

6

第三代功率半導體封裝用AMB陶瓷覆銅基板的研究與進展

北京漠石

7

功率模塊封裝用高強度高熱導率Si3N4陶瓷的研究進展

中材高新氮化物陶瓷有限公司 高級專家 張偉儒

8

高品質氮化硅粉體規?;苽潢P鍵技術新進展

中國科學院理化技術研究所/中科新瓷(重慶)科技有限公司 高級工程師/總經理 楊增朝

9

鈣鈦礦型鐵電介質陶瓷開發及應用

電子科技大學 唐斌 教授

10

電子封裝陶瓷基板關鍵的制備技術

河北東方泰陽

11

陶瓷薄膜金屬化工藝技術

友威科技

12

集成電路陶瓷封裝外殼仿真設計

擬邀請陶瓷封裝廠商/高校研究所

13

系統級封裝用陶瓷材料研究進展和發展趨勢

擬邀請陶瓷封裝廠商/高校研究所

14

陶瓷封裝結構優化及可靠性分析

擬邀請陶瓷封裝廠商/高校研究所

15

低溫共燒陶瓷基板及其封裝應用

擬邀請陶瓷封裝廠商/高校研究所

16

高密度陶瓷封裝外殼散熱問題探討

擬邀請陶瓷封裝/材料廠商/高校研究所

17

陶瓷封裝平行縫焊工藝與技術

擬邀請陶瓷封裝/設備廠商/高校研究所

18

集成電路陶瓷封裝外殼仿真設計

擬邀請陶瓷封裝廠商/高校研究所

19

光通信技術的發展及陶瓷封裝外殼的應用趨勢

擬邀請光通信企業/封裝廠商/高校研究所

20

陶瓷封裝缺陷自動檢測技術

擬邀請檢測方案商

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