隨著電子功率器件向高電壓、大電流、高功率密度發展，其在運行過程中會產生更多的熱量，承受更大的熱應力，這就對器件用陶瓷基板的散熱性能及可靠性提出了更高的要求。許多研究已經證明氮化硅（Si3N4）的理論熱導率非常高，且氮化硅陶瓷還具有優異的力學性能，良好的電絕緣性能，熱膨脹系數與單晶 Si 相近，無毒等優異特性，氮化硅陶瓷是一種理想的兼具高導熱、高強度以及高可靠性的陶瓷基板材料。
圖 氮化硅陶瓷基板，攝于中材高新展臺
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。但是氮化硅陶瓷的實際熱導率與理論值尚存在較大差距，目前市場中高導熱氮化硅陶瓷熱導率一般在80～90W/(m·k)。若能在具有保持優異力學性能的同時提高熱導率，氮化硅將成為大功率器件用陶瓷基板的首選材料。
一、氮化硅陶瓷的熱導率影響因素
氮化硅陶瓷作為共價鍵型化合物，電子被束縛不能自由移動，因此，熱傳導只能依靠晶格振動(即聲子傳輸)來實現，諸如空位、層錯等晶格缺陷以及晶間雜質的存在，會導致聲子散射加劇，降低氮化硅陶瓷熱導率。
圖 影響氮化硅陶瓷熱導率的因素
（1）晶格氧
晶格氧是影響氮化硅陶瓷熱導率最重要的因素。研究表明，在氮化硅陶瓷制備過程中，粉體表面二氧化硅雜質熔融后，部分氧原子會進入到氮化硅晶格中取代氮原子位置生成晶格氧，同時產生硅空位。反應方程式如下：
隨著氮化硅陶瓷中晶格氧含量的增加，熱導率逐漸減小。晶格氧的存在會增加聲子傳輸過程中的散射，從而降低其熱導率。
圖 晶格氧含量對氮化硅陶瓷熱導率的影響
（2）顯微結構
氮化硅陶瓷由于自身擴散系數很小，要實現其致密化燒結，需要在燒結過程中添加合適的燒結助劑，但燒結助劑會與氮化硅表面的二氧化硅雜質生成液相，在冷卻過程中部分會轉變成玻璃相(化學式 M—Si—O—N，M 為引入的助燒劑元素)，其熱導率小于 1 W/(m·k)，遠低于氮化硅陶瓷熱導率，因此晶界相(玻璃相)含量會對氮化硅陶瓷的熱導率產生不利影響。同時晶粒尺寸與晶界相的分布、晶界薄膜厚度又相互作用，這對氮化硅陶瓷熱導率的影響又不盡相同。
二、提升氮化硅陶瓷熱導率途徑
要提高氮化硅陶瓷熱導率應滿足 4 個條件：
這些因素與原料粉體、燒結助劑、燒結工藝及制備技術密切相關。
(1)原料粉體
原始粉體是晶格氧含量和雜質的來源之一。采用不同的制備方法得到的 α-Si3N4 原始粉體質量不同。碳熱還原二氧化硅法和燃燒合成法雖然有著制備工藝簡單、成本低廉的優點，但是所得原始粉體中雜質和晶格氧含量較高。通過硅粉直接氮化法和硅酰亞胺分解法易獲得高純 α 相原始粉體。其中，硅粉直接氮化法因其工藝簡單成熟而廣受市場青睞。在雜質和氧含量較少的基礎上，采用硅酰亞胺分解法可制備具有高燒結活性的高純 α-Si3N4 原粉，有利于燒結后獲得高致密度和高熱導的氮化硅陶瓷。
圖 α-Si3N4 原始粉末制備工藝對比
(2)燒結助劑
引入燒結助劑作用有 2 方面：1)在燒結過程中，燒結助劑會與二氧化硅雜質發生反應，消除表面氧；2)在后續高溫燒結過程中，利用其對氧吸附能力強的特性，在溶解–沉淀反應過程中來減少 β-Si3N4 晶粒中的氧含量。
堿土氧化物 MgO 和稀土氧化物是提高氮化硅陶瓷導熱率的有效燒結助劑。非氧化物燒結助劑反應生成的液相具有較低的氧含量，可以在一定程度上阻礙 β-Si3N4 中晶格氧的形成，這對于改善氮化硅陶瓷的熱導率具有積極的作用。
(3)成型工藝
β-Si3N4晶粒液相燒結時的取向性生長也會影響熱導率。已知 β-Si3N4 沿 c 軸和 a 軸的理論熱導率分別為 450 和 170 W/ (m·K) ?？梢岳枚ㄏ虺尚凸に?注漿成型、磁場定向、熱壓成型等對氮化硅進行織構化設計，實現在平行 c 軸方向熱導率的最優化，進而制備出具有單一方向高導熱性能的氮化硅陶瓷。
圖 流延工藝制備含定向 β-Si3N4籽晶的氮化硅坯體
(4)燒結工藝
燒結工藝會影響氮化硅陶瓷的顯微結構，通過改變燒結溫度與時間可以對其晶格氧含量、晶粒大小與形狀以及晶界相含量與分布進行有效調控，進而改善導熱性能。
氮化硅陶瓷的致密化需要通過液相燒結實現。一般通過氣壓燒結(GPS)和反應燒結重燒結(SRBSN)的方法獲得高熱導率的?Si3N4?陶瓷基板。
3.高導熱氮化硅陶瓷的制備研究進展，周玉棟，等.
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原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：氮化硅陶瓷的熱導率影響因素及改善途徑
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