中國粉體網訊 近年來，半導體器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發展。大功率半導體器件在風力發電、太陽能光伏發電、電動汽車、LED照明等領域都有廣泛的應用。由于任何半導體器件在工作時都有一定的損耗，且大部分損耗都已熱量形式揮散，并引起一定的器件失效事件。據統計，由熱引起的器件失效高達55%。
研究發現，陶瓷材料具有更優異的導熱性及力學性能，并具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點，是高端半導體器件，特別是大功率半導體器件基片的最佳材料。研究發現，基片材料應具有以下性能：①良好的絕緣性和抗電擊穿能力；②高的熱導率：導熱性直接影響半導體器件的運行狀況和使用壽命，散熱性差導致的溫度場分布不均勻也會使電子器件噪聲大大增加；③熱膨脹系數與封裝內其他所用材料匹配；④良好的高頻特性：即低的介電常數和低的介質損耗；⑤表面光滑，厚度一致：便于在基片表面印刷電路，并確保印刷電路的厚度均勻。
半導體器件用陶瓷基片材料之氮化硅
目前常用的基片材料主要包括：陶瓷基片、玻璃陶瓷基片、金剛石、樹脂基片、硅（Si）基片以及金屬或金屬基復合材料等。
目前已經投入生產的應用的陶瓷基片材料主要包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）等。隨著半導體器件向大功率化、高頻化的不斷發展，對陶瓷絕緣基片的導熱性和力學性能都提出了更高的要求。目前，氮化硅是國內外公認兼具高導熱高可靠性的最具應用前景的陶瓷基板材料。單晶氮化硅的理論熱導率可達400Ｗ•ｍ-1•Ｋ-1以上，具有成為高導熱基片的潛力。
Si3N4具有3種結晶結構，分別是α相、β相和γ相。其中α相和β相是Si3N4最常見的形態，均為六方結構，可在常壓下制備。Si3N4陶瓷具有硬度大、強度高、熱膨脹系數小、高溫蠕變小、抗氧化性能好、熱腐蝕性能好、摩擦系數小、與用油潤滑的金屬表面相似等諸多優異性能，是綜合性能最好的結構陶瓷材料。
三種陶瓷基板材料物理力學性能對比
高導熱氮化硅陶瓷材料的影響因素
★原料粉體的影響
原料粉體是影響陶瓷物理、力學性能的關鍵因素，特別是對于高導熱氮化硅陶瓷，原料粉體的純度、粒度物相會對氮化硅的熱導率、力學性能產生重要影響。
★燒結助劑的影響
氮化硅屬于強共價建化合物，依靠固相擴散很難燒結致密，必需添加燒結助劑，如MgO、Al2O3、CaO和稀土氧化物等，在燒結過程，添加的燒結助劑中可以與氮化硅粉體表面的原生氧化物發生反應，形成低熔點的共晶溶液，利用液相燒結機理實現致密化。需要注意的是并不是所有的燒結助劑的加入都能起到很好的燒結效果。對癥下藥才是王道，選擇合適的燒結助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導率的關鍵。燒結助劑按氧化物類大致分為氧化物類燒結助劑和非氧化物燒結助劑。其下又分為稀土氧化物燒結助劑（Y2O3、CeO和La2O3、Yb2O3）和CaO、MgO燒結助劑。
2020年10月29-30日，中國粉體網將在無錫舉辦“2020第三屆新型陶瓷技術與產業高峰論壇”。屆時，來自北京中材人工晶體研究院有限公司的鄭彧高工帶來題為《高導熱氮化硅基板關鍵技術及研發進展》的報告，屆時，鄭彧高工將從材料性能、原料、成型、燒結等角度全面系統闡述高導熱氮化硅基板制備關鍵技術，并對其未來前景進行展望。
專家介紹
鄭彧，北京中材人工晶體研究院有限公司，高級工程師。畢業于北京航空航天大學，獲材料學博士學位。長期從事高性能氮化硅陶瓷材料、陶瓷基復合材料等方向的研究工作。主持國家重點研發專項、北京市科技計劃、國家國際科技合作專項等多項國家及省部級重點項目，并參與多項國家科技支撐計劃項目等重大科研項目。以第一作者或通訊作者身份發表論文近30篇，其中SCI收錄論文10余篇，申報發明專利近10項。
參考資料：
張偉儒等.氮化硅：未來陶瓷基片材料的發展趨勢
鄭彧等.高導熱氮化硅陶瓷基板材料研究現狀
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