氮化硅（Si3N4）陶瓷作為先進結構陶瓷，具有耐高溫、高強度、高韌性、高硬度、抗蠕變、耐氧化以及耐磨損等優異性能的同時，還具備良好的抗熱震性與介電性能、高熱導率以及良好的高頻電磁波傳輸性能，優異的綜合性能使之已廣泛用作航空航天等領域的復雜結構件。

但由于 Si3N4 屬于強共價鍵化合物，結構穩定，依靠固相擴散很難燒結致密，必須通過添加燒結助劑來促進燒結，如金屬氧化物（MgO、CaO、Al2O3）和稀土氧化物（Yb2O3、Y2O3、Lu2O3、CeO2）等，借助液相燒結機理來進行致密化。

目前，全球半導體器件技術都朝著更高的電壓、更大的電流，和更大的功率密度方向發展，Si3N4 陶瓷制作方法的研究較多，本文為大家介紹有效提高氮化硅陶瓷致密性和綜合力學性能的燒結工藝。艾邦建有陶瓷封裝全產業鏈微信群，歡迎陶瓷封裝產業鏈上下游掃碼加群與我們交流。

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一、Si3N4 陶瓷常用的燒結方法

目前，制備 Si3N4 陶瓷的常用燒結方法主要有：反應燒結，無壓燒結，熱壓燒結、放電等離子體燒結和氣壓燒結等。下表是其他實驗中各種燒結方法制備 Si3N4 陶瓷材料的性能比較。

表  各種燒結方法制備 Si3N4 陶瓷材料的性能比較

1. 反應燒結（reactive sintering, RS）是最早實現產業化制備 Si3N4 陶瓷的燒結方式，具有工藝簡單、易成形、成本低、可制備形狀復雜的樣品等優點。但該燒結方式生產周期長，不利于工業化生產。

2. 無壓燒結（pressureless sintering, PLS）是最基本、最簡單的燒結工藝。但該方法對 Si3N4 原料要求較高，且較難制得高致密度的 Si3N4 陶瓷，收縮率較大，容易開裂變形。

3. 熱壓燒結（hot pressure sintering, HP）由于單軸機械壓力的施加，增大了燒結驅動力，使其在低于常壓燒結 100 ～ 200 ℃的溫度下也能制得致密度高的陶瓷材料。但這種方法一般用于制備形狀相對簡單的塊體陶瓷，較難滿足基板材料的厚度與形狀要求。

4. 放電等離子體燒結（spark plasma sintering, SPS）具有快速燒結、細化晶粒和降低燒結溫度的特點。但 SPS 所需的設備投入較大，且高熱導  Si3N4 的 SPS 制備尚處于實驗階段，并未工業化生產。

5. 氣壓燒結（gas pressure sintering, GPS）由于氣體壓力的施加抑制了陶瓷材料在高溫下的分解與失重，不僅易制備高致密度的陶瓷，還能批量化生產。然而，一步氣壓燒結工藝很難制備出內外顏色和結構均一、綜合性能良好的結構件；當采用兩步燒結或多步燒結時能大幅度降低晶間氧含量，提高熱導率，綜合性能更為良好。

不過氣壓兩步燒結溫度較高，之前的研究主要集中于制備具有高熱導率以及較高室溫抗彎強度的 Si3N4 陶瓷基板材料，對于制備具有綜合力學性能和高溫力學性能的 Si3N4 陶瓷材料研究較少。

二、氣壓兩步燒結法制備 Si3N4

重慶理工大學楊州等人則以 5 wt.% Yb2O3 +5 wt.% Al2O3 作為燒結助劑體系，在 1800 ℃經氣壓一步燒結和氣壓兩步燒結工藝分別制備了 Si3N4 陶瓷，其中氣壓兩步燒結制備出的 Si3N4 陶瓷具有更高致密、更良好的綜合力學性能。以下為實驗中氣壓一步燒結和氣壓兩步燒結工藝分別對 Si3N4 陶瓷結構件微觀形貌、力學性能的影響。

1. 致密度

Si3N4 致密化過程一般分為三個階段，并且階段之間存在重疊，第一個階段顆粒重排和第二個階段溶解沉淀是致密化最為關鍵的兩個階段，在這兩個階段若有充足的反應時間將會有效提升樣品致密度。當兩步燒結的預燒溫度設為 1600 ℃ 時，生成的 β-Si3N4 晶粒相互交錯成骨架，形成閉孔；預燒后繼續升溫，在高溫高氮氣壓力作用下促進液相流動填充，有利于消除封閉氣孔，使 Si3N4 陶瓷密度得到進一步提升。因此，兩步燒結工藝制備的樣品的密度和相對密度高于一步燒結。

2. 物相與微觀形貌

一步燒結過程中，顆粒重排和晶界擴散所需的時間受到限制。兩步燒結工藝通過在在低溫低氣壓下進行第一步燒結，通過延長顆粒重排時間，得到更大尺寸的晶粒，再升到高溫階段保溫，晶粒通過奧斯瓦爾德熟化過程繼續長大，得到高致密的 Si3N4 陶瓷。

圖 Si3N4 的燒結過程示意圖

晶間相在高溫條件下的軟化是導致強度下降的主要原因。在一步燒結中異常長大晶粒使得晶粒間存在的小孔隙導致高溫強度無法得到較大提升。但在兩步燒結工藝中，均勻分布在晶粒間隙的玻璃相和均勻尺寸的晶粒提高了晶間強度，具有較高的高溫抗彎強度。

圖 不同燒結工藝下 Si3N4 陶瓷的室溫抗彎強度和 900 ℃ 抗彎強度

綜上所述，一步燒結長時間保溫可以有效減少樣品內部存在孔隙的現象，實現內部顏色結構的均一，但是會導致晶粒異常長大，惡化部分力學性能。而采取兩步燒結工藝通過在低溫下預燒延長顆粒重排時間，在高溫度下保溫促進晶粒均勻生長，成功制備出了相對密度達到 98.25%、微觀形貌均勻、綜合力學性能優異的 Si3N4 陶瓷。

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原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：高致密性、高強度的氮化硅陶瓷燒結工藝介紹