氮化硅陶瓷基板材料发展走向普及化需要几步？

  一， 氮化硅陶瓷基板材料的研究背景：

 我国军工航天、高铁重工等领域的飞速发展，促使各项科技行业对大功率电子器件的需求逐步加大。为适应更为苛刻复杂的应用条件，大功率电子器件必须朝着耐高温、高频、低功耗及智能化、系统化、模块化的方向发展。延伸到功率器件的组成部件上来看，其中基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并将热量传到热沉上，由此实现与外界的热交换。因此制备高热导率基板材料成为研发大功率模块电子产品的关键所在。

大功率散热基板材料要求具有低成本、高电绝缘性、高稳定性、高导热性及与芯片匹配的热膨胀系数（CTE）、平整性和较高的强度等。为了满足这些要求，研究人员将目光投向了金属氧化物、陶瓷、聚合物以及复合材料等。被实际应用的散热基板材料有氧化铝、氮化铝、氧化铍、氮化硅、碳化硅、氮化硼等。

研究人员用实验的方法证明了氮化硅陶瓷具有很高的热导率，且在热膨胀系数、机械性能、抗氧化性、电绝缘性、对环境的影响等各个方面进行了研究，结果都甚为满意，由此氮化硅被认为是一种很有发展潜力的高速电路和大功率电子器件的散热基板及封装材料。

二，有关高热导率氮化硅陶瓷研究成果：

现阶段，将高热导率氮化硅陶瓷用于电子器件的基板材料仍是一大难题。

目前国外仅有东芝、京瓷等少数公司能将氮化硅陶瓷基板商用化：例如东芝的氮化硅基片（TSN-90）的热导率为90 W/(m·k)。

国内有北京中材人工晶体研究院成功研制的热导率为80 W/(m·k)、抗弯强度为750MPa·m1/2的氮化硅陶瓷基片材料，这与东芝公司的商用氮化硅产品性能相近。

中科院上硅所曾宇平研究员团队成功研制出平均热导率为95 W/(m·k)，最高可达120 W/(m·k)且稳定性良好的氮化硅tacit，其尺寸为120㎜×120㎜，厚度为0.32㎜，外形尺寸还能根据实际需求进行调整。

3 高热导率氮化硅作为散热基板材料的发展趋势：

（1）低成本氮化硅陶瓷的制备：

目前高热导率氮化硅陶瓷的烧结温度在1600~1900℃，制备原料为高纯α-Si3N4粉或高纯硅粉，在烧结途中还要添加烧结助剂，一系列流程下来制备成本大幅增加，很大程度上限制了氮化硅陶瓷在工业中的推广应用。因此提升其高热导率的同时，研究低温制备、寻找低成本材料、低成本烧结助剂是一直以来的发展趋势。

（2）氮化硅陶瓷增韧的研究：

由于大功率电子器件的形式多种多样，散热基板也需随着主体结构的变化而改变进行多样化发展。这就要求基板的制备材料具有良好的加工性能，而硬和脆是陶瓷的特点，加工成型难度大，加工成本也会增加。因此深入研究氮化硅陶瓷的加工成型技术及制备和增强氮化硅陶瓷韧性是发展方向。

（3）高热导率氮化硅陶瓷热导率、机械性能和介电性能方面的研究：

当前实验室研究报道制备出的氮化硅陶瓷最大热导率是177W/(m·k)，但制得该成品的条件过于苛刻，不适应大规模生产条件，这是接下来需进一步解决的问题之一。另一方面，现阶段对氮化硅陶瓷的研究还集中在烧结温度、烧结助剂种类和含量、致密度等各单量对机械性能和介电性能的简单影响关系上，而各种综合条件对机械性能和介电性能的深层次影响机理的研究还处于初级阶段，这是今后的研究方向。

（4）对烧结助剂的研究趋向于低成本、无氧化合物或能够降低晶格中氧含量等方向：

由于烧结助剂能够降低烧结温度、促进氮化硅的扩散结晶，因此是目前烧结氮化硅陶瓷的必备成分。为了降低氮化硅陶瓷的生产成本，烧结助剂的成本越低即越好；并且因为氧元素的存在会降低热导率，因此未来研究无氧元素的烧结助剂将会是趋势之一。

总的来说，近年来氮化硅陶瓷基板材料的实际热导率有在不断提升，但是与理论热导率仍有较大差距。如何将实验室数据同现实生产结合从而实现氮化硅陶瓷基板的推广应用，还需要一定的时间。

文章内容来自腾讯新闻

网络参考文献：《高热导率氮化硅散热基板材料的研究进展》——刘雄章、郭冉、李青达、衣雪梅；《高导热氮化硅陶瓷基板研究现状》——廖圣俊、周立娟、尹凯俐、王建军、姜常玺。