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氮化硅(Si3N4)具有強(qiáng)度高、硬度大、抗熱震性能好、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異特性,被認(rèn)為是綜合性能最好的陶瓷材料。目前市場中高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率一般在80~90W/(m·k),其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性是AlN的兩倍,且具有優(yōu)異的抗熱震穩(wěn)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(dǎo)體(SiC/GaN)功率器件封裝中有很大的市場應(yīng)用潛力。

氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率關(guān)鍵影響因素——燒結(jié)助劑

圖 氮化硅基板,來源:MARUWA
許多研究已經(jīng)證明氮化硅的理論熱導(dǎo)率非常高,但實(shí)際中多晶氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率明顯低于理論單晶熱導(dǎo)率。在研究影響氮化硅陶瓷導(dǎo)熱性能中發(fā)現(xiàn),燒結(jié)助劑對制備高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷具有非常重要的作用。
1.燒結(jié)助劑的作用機(jī)理
氮化硅是以共價鍵結(jié)合為主的化合物,其Si–N共價鍵含量高達(dá)70%。由于鍵合強(qiáng)大,原子擴(kuò)散系數(shù)小,純氮化硅很難燒結(jié)致密,因此在燒結(jié)過程中必須添加燒結(jié)助劑來促進(jìn)氮化硅燒結(jié)反應(yīng)的進(jìn)行。燒結(jié)助劑能在較低溫度下產(chǎn)生液相,大大促進(jìn)顆粒重排和傳質(zhì)過程。

氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率關(guān)鍵影響因素——燒結(jié)助劑

圖 液相燒結(jié)組織形貌變化示意圖
由于氮化硅本身自擴(kuò)散系數(shù)小,難以燒結(jié)致密,燒結(jié)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(kuò)散,有利于氮化硅顆粒重排、溶解和析出,加速α-Si3N4向β-Si3N4轉(zhuǎn)變,降低氮化硅陶瓷致密化溫度。

氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率關(guān)鍵影響因素——燒結(jié)助劑

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

資料:

1.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷用燒結(jié)助劑的研究進(jìn)展,王月隆, 等.

2.以非氧化物為燒結(jié)助劑制備高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的研究進(jìn)展,王偉明,等.

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氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率關(guān)鍵影響因素——燒結(jié)助劑
推薦活動:【邀請函】第二屆陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)論壇(11月22日·石家莊)
第二屆陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)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(shù)在封裝中的應(yīng)用

中電科四十三所 車江波 研究員/主任

2

陶瓷封裝技術(shù)在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的應(yīng)用

北京大學(xué)東莞研究院 鄭小平 研究員/項(xiàng)目總監(jiān)

3

傳感器技術(shù)的發(fā)展及陶瓷封裝的應(yīng)用趨勢

鄭州中科集成電路與系統(tǒng)應(yīng)用研究院 先進(jìn)封測中心主管 周繼瑞

4

集成電路高可靠陶瓷封裝的發(fā)展概況

睿芯峰

5

微電子封裝用封接玻璃的開發(fā)

天力創(chuàng)

6

第三代功率半導(dǎo)體封裝用AMB陶瓷覆銅基板的研究與進(jìn)展

北京漠石

7

功率模塊封裝用高強(qiáng)度高熱導(dǎo)率Si3N4陶瓷的研究進(jìn)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(zhì)氮化硅粉體規(guī)模化制備關(guān)鍵技術(shù)新進(jìn)展

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

9

鈣鈦礦型鐵電介質(zhì)陶瓷開發(fā)及應(yīng)用

電子科技大學(xué) 唐斌 教授

10

電子封裝陶瓷基板關(guān)鍵的制備技術(shù)

河北東方泰陽

11

陶瓷薄膜金屬化工藝技術(shù)

友威科技

12

集成電路陶瓷封裝外殼仿真設(shè)計(jì)

擬邀請?zhí)沾煞庋b廠商/高校研究所

13

系統(tǒng)級封裝用陶瓷材料研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢

擬邀請?zhí)沾煞庋b廠商/高校研究所

14

陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可靠性分析

擬邀請?zhí)沾煞庋b廠商/高校研究所

15

低溫共燒陶瓷基板及其封裝應(yīng)用

擬邀請?zhí)沾煞庋b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?zhí)沾煞庋b/材料廠商/高校研究所

17

陶瓷封裝平行縫焊工藝與技術(shù)

擬邀請?zhí)沾煞庋b/設(shè)備廠商/高校研究所

18

集成電路陶瓷封裝外殼仿真設(shè)計(jì)

擬邀請?zhí)沾煞庋b廠商/高校研究所

19

光通信技術(shù)的發(fā)展及陶瓷封裝外殼的應(yīng)用趨勢

擬邀請光通信企業(yè)/封裝廠商/高校研究所

20

陶瓷封裝缺陷自動檢測技術(shù)

擬邀請檢測方案商

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