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【论坛报告】高导热氮化硅基板关键技术及研发进展


来源:中国粉体网   茜茜

[导读]  研究发现,陶瓷材料具有更优异的导热性及力学性能,并具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点,是高端半导体器件,特别是大功率半导体器件基片的最佳材料。

中国粉体网讯  近年来,半导体器件正沿着大功率化、高频化、集成化的方向发展。大功率半导体器件在风力发电、太阳能光伏发电、电动汽车、LED照明等领域都有广泛的应用。由于任何半导体器件在工作时都有一定的损耗,且大部分损耗都已热量形式挥散,并引起一定的器件失效事件。据统计,由热引起的器件失效高达55%。


研究发现,陶瓷材料具有更优异的导热性及力学性能,并具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点,是高端半导体器件,特别是大功率半导体器件基片的最佳材料。研究发现,基片材料应具有以下性能:①良好的绝缘性和抗电击穿能力;②高的热导率:导热性直接影响半导体器件的运行状况和使用寿命,散热性差导致的温度场分布不均匀也会使电子器件噪声大大增加;③热膨胀系数与封装内其他所用材料匹配;④良好的高频特性:即低的介电常数和低的介质损耗;⑤表面光滑,厚度一致:便于在基片表面印刷电路,并确保印刷电路的厚度均匀。


半导体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、金刚石、树脂基片、硅(Si)基片以及金属或金属基复合材料等。


目前已经投入生产的应用的陶瓷基片材料主要包括氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)等。随着半导体器件向大功率化、高频化的不断发展,对陶瓷绝缘基片的导热性和力学性能都提出了更高的要求。目前,氮化硅是国内外公认兼具高导热高可靠性的最具应用前景的陶瓷基板材料。单晶氮化硅的理论热导率可达400W•m-1•K-1以上,具有成为高导热基片的潜力。


Si3N4具有3种结晶结构,分别是α相、β相和γ相。其中α相和β相是Si3N4最常见的形态,均为六方结构,可在常压下制备。Si3N4陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小、与用油润滑的金属表面相似等诸多优异性能,是综合性能最好的结构陶瓷材料。


三种陶瓷基板材料物理力学性能对比

 


高导热氮化硅陶瓷材料的影响因素


★原料粉体的影响


原料粉体是影响陶瓷物理、力学性能的关键因素,特别是对于高导热氮化硅陶瓷,原料粉体的纯度、粒度物相会对氮化硅的热导率、力学性能产生重要影响。


★烧结助剂的影响


氮化硅属于强共价建化合物,依靠固相扩散很难烧结致密,必需添加烧结助剂,如MgO、Al2O3、CaO和稀土氧化物等,在烧结过程,添加的烧结助剂中可以与氮化硅粉体表面的原生氧化物发生反应,形成低熔点的共晶溶液,利用液相烧结机理实现致密化。需要注意的是并不是所有的烧结助剂的加入都能起到很好的烧结效果。对症下药才是王道,选择合适的烧结助剂,制定合理的配方体系是提升氮化硅热导率的关键。烧结助剂按氧化物类大致分为氧化物类烧结助剂和非氧化物烧结助剂。其下又分为稀土氧化物烧结助剂(Y2O3、CeO和La2O3、Yb2O3)和CaO、MgO烧结助剂。


2020年10月29-30日,中国粉体网将在无锡举办“2020第三届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”。届时,来自北京中材人工晶体研究院有限公司的郑彧高工带来题为《高导热氮化硅基板关键技术及研发进展》的报告,届时,郑彧高工将从材料性能、原料、成型、烧结等角度全面系统阐述高导热氮化硅基板制备关键技术,并对其未来前景进行展望。


 


专家介绍


郑彧,北京中材人工晶体研究院有限公司,高级工程师。毕业于北京航空航天大学,获材料学博士学位。长期从事高性能氮化硅陶瓷材料、陶瓷基复合材料等方向的研究工作。主持国家重点研发专项、北京市科技计划、国家国际科技合作专项等多项国家及省部级重点项目,并参与多项国家科技支撑计划项目等重大科研项目。以第一作者或通讯作者身份发表论文近30篇,其中SCI收录论文10余篇,申报发明专利近10项。


参考资料:

张伟儒等.氮化硅:未来陶瓷基片材料的发展趋势

郑彧等.高导热氮化硅陶瓷基板材料研究现状


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