中國粉體網訊 隨著我國高鐵、航天、軍工等領域的快速發展，未來對大功率電力電子器件的需求也將越來越大。為了適應更加復雜、苛刻的應用條件，大功率電力電子器件朝著高溫、高頻、低功耗以及智能化、模塊化、系統化方向發展，這對整個電子器件的散熱提出了嚴峻的挑戰，而功率器件中基板的作用是吸收芯片產生的熱量，并傳到熱沉上，實現與外界的熱交換，所以制備高熱導率基板材料成為研發大功率模塊電子產品的關鍵所在。
中國科學院理化技術研究所
大功率散熱基板材料要求具有低成本、高電絕緣性、高穩定性、高導熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數(CTE)、平整性和較高的強度等。為了滿足這些要求，人們將目光投向了金屬氧化物、陶瓷、聚合物、復合材料等。主要應用的散熱基板材料有Al2O3、AlN、BeO、SiC、BN、Si等。
3種陶瓷基板材料性能對比
與其他陶瓷材料相比，Si3N4陶瓷材料具有明顯優勢，尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現出的耐高溫性能、對金屬的化學惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學性能。Si3N4陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性都可達到AlN的２倍以上，特別是在材料可靠性上，Si3N4陶瓷基板具有其他材料無法比擬的優勢。目前，通過工藝優化，氮化硅陶瓷熱導率不斷提高，目前已突破177W/(m·K)。
對于制備抗彎強度大且熱導率高的陶瓷基板來說，制備出高性能Si3N4粉體是獲得高導熱陶瓷基板的基礎。不僅需要純度高，而且還需要滿足低氧、超細、高α相等指標。因為這些指標都會直接決定陶瓷基板中的缺陷(晶格氧、氣孔)、雜質以及晶界尺寸，從而影響熱導率和抗彎強度。
Si3N4粉體有很多制備方法，常見的有直接氮化法、碳熱還原法、氣相法和自蔓延法高溫合成法。自蔓延高溫合成(SHS)又稱燃燒合成法，是近年來興起的一種制備無機化合物高溫材料的新技術。其原理是當反應物一旦被引燃，便會自動向尚未反應的區域傳播，直至反應完全。80年代初期，美國、日本及歐洲各工業發達國家都進行了SHS技術的研究與開發；我國在80年代中后期開始引進SHS技術。該方法具有以下優點：
（1）合成產物純度高；
（2）反應周期以秒計，生產效率極高；
（3）設備相對簡單，投資少，通用性強；
（4）無污染等。
此外，自蔓延高溫合成產物往往保持在亞穩狀態，產物更加活潑，這對所合成陶瓷粉體的燒結性能是十分重要的。
需要注意的是，自蔓延高溫合成氮化硅時，氮化硅存在α和β兩種晶體相，β/α的值會對最終陶瓷基板的力學性能和熱導率有極大影響，因此控制氮化鋁粉體中的β/α值是一項關鍵技術。
中國粉體網將在山東濟南舉辦第一屆半導體行業用陶瓷材料技術研討會，屆時，來自齊魯中科光物理與工程技術研究院研發負責人王良博士將帶來題為《高熱導基板用氮化硅陶瓷粉體的規模化燃燒合成技術及批量制備》的報告。報告人所在研究組自2002年成立以來，一直致力于燃燒合成高品質Si3N4陶瓷粉體材料的理論和工藝研究，先后取得了“燃燒合成裝備大型化、燃燒反應過程調控智能化以及工藝產品穩定化”全方位的技術突破，實現了可控的α/β比以及高一致性粉體的批量生產。所制備的粉體經多方燒結驗證，與進口粉體燒成的Si3N4陶瓷制品在熱導率與抗彎強度方面基本相當，有望實現高端Si3N4陶瓷粉體的國產化替代。
據了解，報告所涉及的項目是濟南市政府引進的中科院理化所的項目，共建的單位為齊魯中科光物理與工程技術研究院。齊魯中科光物理與工程技術研究院主要開展激光、低溫及氫能源、新材料、生物醫藥等關鍵技術研發和科研成果轉移轉化、人才引進培養、高新技術企業孵化機引進等工作。
專家介紹：
王良，男，助理研究員，2021年于中國科學院理化技術研究所獲博士學位，主要從事氮化硅陶瓷材料的制備研究，發表SCI論文6篇，撰寫專利5項。
參考來源：
[1] 劉雄章等.高熱導率氮化硅散熱基板材料的研究進展
[2]鄭彧等.高純氮化硅粉合成研究進展
[3]張偉儒.第3代半導體碳化硅功率器件用高導熱氮化硅陶瓷基板最新進展
（中國粉體網編輯整理/山川）
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