中国粉体网讯 氮化硅（Si3N4）陶瓷是一种由氮化硅粉末经过成型、烧结等工艺制成的非金属材料，具有优异的综合性能。氮化硅陶瓷材料具有一般金属材料和高分子材料难以比拟的耐磨、耐腐蚀（耐除氢氟酸和浓NaOH外的所有酸碱）、耐高温（耐受高温达到1800℃以上，最高工作温度1400℃）、高断裂韧性（远高于其他陶瓷材料）、导热系数高等优良的物理性能和化学性能，可以承受金属或高分子材料难以胜任的严酷工作环境，因此氮化硅陶瓷材料可替代许多传统材料，广泛应用于多个产业领域。
图源：中材高新
01 粉体工艺：决定陶瓷高端性能上限
高质量粉体是制备高性能氮化硅陶瓷的基础、低成本的粉体制备技术是氮化硅陶瓷广泛应用的关键。氮化硅粉体主要的制备方法有硅粉直接氮化法、自蔓延法、碳热还原法、热分解法等。
硅粉直接氮化法。硅粉直接与氮气、氨气或其他含氮气氛反应生成氮化硅粉末。此方法工艺较为成熟，能够规模化生产，并且生产成本相对较低，被国内外大多数企业采用。
自蔓延高温合成法（SHS）。原理是将原料点燃后，反应扩散至未反应区域，直至反应完全，特点是无需外部热源，靠自身燃烧放热来提供热量。该方法制备粉体具有高效、节能、环保等优点，但是在制备粉体时，由于反应速度过快，反应过程难以控制。
碳热还原法。以SiO2为硅源，碳为还原剂，在1400℃以上、N2气氛下，通过碳还原以及氮化反应合成氮化硅。该方法所用的原料成本较低，制备的粉体产品粒度小，反应速度快，α-Si3N4含量高，适合大规模生产。但是制备的氮化硅粉体中经常含有残余的碳或者碳化硅，所以制备的粉体纯度不高，影响了产品的质量和应用。
硅亚胺热解法。一种通过界面反应和热分解制备α相含量较高的Si3N4粉体的方法。该方法制备难度大，技术门槛高，对原料的纯度要求高，其难点在于不易获得稳定的固态亚氨基硅（Si(NH)2）。该方法可以生产高纯高质量氮化硅粉体。
硅亚胺热解法的生产工艺流程图
02 多元应用：三大制品抢占高端材料赛道
氮化硅陶瓷制品主要包括陶瓷基板、陶瓷球、结构件三大类。目前陶瓷基板和高端的热等静压（HIP）陶瓷球领域仍然被日本京瓷、东芝材料、丸和、CoorsTek等日本和美国企业主导，国内企业主要包括中材高新、国瓷金盛、衡阳凯新等。
陶瓷基板
氮化硅被认为是综合性能最好的陶瓷基板材料，热导率可达90～120W/(m·k)，热膨胀系数为3.2×10-6/℃，并具有优异的机械强度、良好的化学稳定性和抗热冲击性。随着第三代半导体器件以及高功率密度应用快速发展，市场对高性能陶瓷基板的需求持续增长，氮化硅基板正逐步成为高端功率模块的重要技术路线之一。
氮化硅陶瓷片，图源：富乐华
目前工业上制备氮化硅陶瓷基板常用的是有机流延成型的方法，首先将氮化硅粉体、分散剂、烧结助剂、有机溶剂通过一次球磨混合，同时粉体通过球磨达到所需粒径；然后将粘结剂和增塑剂加入到球磨后的浆料中进行二次球磨，使其混合均匀；经过脱泡工艺即得到所需浆料。将浆料加到流延机中进行流延得到生坯，然后将生坯裁剪成所需尺寸，进行排胶、烧结，最终得到烧成后的氮化硅陶瓷基板。烧结方法主要有反应烧结法(RS)、热压烧结法(HPS)、常压烧结法(PLS)和气压烧结法(GPS)等。
陶瓷基板在封装使用前需要进行金属化，即通过镀铜或覆铜等方式在陶瓷表面形成导电层，以便连接电子元件，实现电路的导电功能。常见的陶瓷金属化工艺包括DPC、DBC和AMB等。
国内氮化硅陶瓷产业起步较晚，高端氮化硅陶瓷产品在一些关键性能指标上与国外仍有差距，部分依赖进口，但中低端产品已基本实现国产化。差距主要体现在技术提升、设备依赖进口、产品质量不稳定、产业结构不合理以及市场开发不足等方面。
陶瓷球
氮化硅陶瓷球相比于钢球具有极限转速高，承载能力强，耐高温和耐酸碱腐蚀的优点，并表现出一定的自润滑性能，以绝对的优势作为滚动体被广泛用于高速轴承中，已成为高速、高精密轴承的关键部件。
图源：华瓷聚力
氮化硅陶瓷球的制备过程是先获得致密高强的陶瓷球烧结体毛坯，然后再对毛坯进行精密加工，从而达到要求的尺寸、圆度和粗糙度。制备过程一般包括原料准备、素坯成型、高温烧结和磨加工四个阶段。
干法成型具有成型效率高、成型周期短和胶含量低等优点，是Si3N4陶瓷球产业化的首选成型方式。干法成型包括干压成型和等静压成型，这两种成型方式都已在Si3N4陶瓷球的素坯成型中被普遍应用。
适用于氮化硅陶瓷球批量生产的烧结方式有气压烧结（GPS）和热等静压烧结（HIP）。其中热等静压技术是以气体作为压力介质，烧结过程中在坯体各方向上施加同等压力，在高温、高压作用下实现陶瓷的致密化，是制造高性能氮化硅陶瓷球的最佳工艺。
GPS氮化硅与HIP氮化硅性能对照表
烧结后的氮化硅陶瓷球还需要进行表面精加工，以满足高精度和低粗糙度的要求，包括磨削、抛光和超精加工工艺。
陶瓷结构件
精密陶瓷结构件是半导体设备的关键部件，其研发生产直接影响半导体产业发展。氮化硅热膨胀系数低、导热率高、抗化学腐蚀、耐热冲击性极佳。经过热压烧结的Si3N4硬度极高，且极耐高温，它的强度一直维持在1200℃高温下而不下降，受热后不会熔成融体，被称为是综合性能最好的陶瓷材料，在半导体设备中被用于制造晶圆承载器、加热器、蚀刻机部件等。
氮化硅陶瓷结构件，图源：CeramTec
03 小结
氮化硅未来的增量市场，正在从传统结构陶瓷向更多高价值应用扩展。功率半导体需要的是高导热、高可靠陶瓷基板；新能源汽车需要高耐磨、高可靠陶瓷球及相关零部件；半导体设备需要高纯、低污染、耐腐蚀的精密陶瓷结构件。随着技术持续攻坚，氮化硅陶瓷高端产业化与国产化替代空间广阔，未来发展潜力巨大。
参考来源：
[1]周锦：新型陶瓷材料的研究综述
[2]魏万鑫等：氮化硅陶瓷轴承球的滚动摩擦磨损特性与损伤行为
[3]李军生：氮化硅陶瓷粉体产业现状与发展趋势
[4]粉体网、中启资本
（中国粉体网编辑整理/石语）
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