关于高导热率氧化硅散热陶瓷的研究进展（一）

随着我国高铁、航天、军工等领域的快速发展，未来对大功率电力电子器件的需求也将越来越大。为了适应更加复杂、苛刻的应用条件，大功率电力电子器件朝着高温、高频、低功耗以及智能化、模块化、系统化方向发展，这对整个电子器件的散热提出了严峻的挑战，而功率器件中基板的作用是吸收，芯片产生的热量，并传到热沉上，实现与外界的热交换 ，所以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。例如目前大功率 LED 的发光效率仅有 10%-20%，其余的能量则转化为热能，如果芯片的热量不能及时的散出去，就会影响芯片的出光效率，或者缩短芯片使用寿命甚至失效。近年，大功率 IGBT 电子模块在混合动力/电动汽车的电机驱动、电池充电、电平转换等重要子系统中得到了广泛应用，由于混合动力/电动汽车中 IGBT 模块靠近发热量大的热源,芯片的温度有可能高达 175C°，甚至更高，同时混合动力/电动汽车上空间要求很苛刻，这进一步增加了散热的难度。因此，未来芯片发热量高、热应变大、要求环保无污染等应用状况对散热基板材料提出了更新、更高的要求。

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，人们将目光投向了金属氧化物、陶瓷、聚合物、复合材料等。主要应用的散热基板材料有ANN、BeO、SiC、BN、Si等。

金属氧化物，虽然具有机械强度高、耐热冲击和介质损耗小等优点，但因为具有较低的热导率且高纯氧化铝难以烧结造价昂贵，故已不能满足大功率散热基板材料的要求; BeO 热导率高，但其线膨胀系数与Si相差很大，高温时热导率急剧下降且制造时有毒，限制了其应用范围;BN虽然具有较好的综合性能，但作为基板材料价格太昂贵，目前只处于研究和推广之中SiC具有高强度和高热导率，但其电阻和绝缘耐压值都较低，介电常数偏大，不宜作为基板材料一硅作为散热基板材料加工困难，成本高；单一金属材料具有导电及热膨胀系数失配等问题，因此以上材料很难满足未来大功率散热基板材料的苛刻要求。

    到目前为止，人们研究发现， AIN 表现出高达200W / (m·K)的热导率，因此 AIN 高热导率散热材料已开始被应用在一些重要的大功率电子芯片的散热基板中。然而，山于 AIN 的机械性能不能充分满足大功率散热基板材料的要求（一般来说，弯曲强度 300-400MPa ,析裂韧性 3-4 MPa) ，导致基板可靠性低。同时 AIN 的烧结温度很高（ 1900℃ 左右）且在水中容易水解形成偏铝酸，这也限制了AIN 的应用。研究者们迫切希望寻求一种可替代AIN的具有高热导率和优良综合性能的散热基板材料，因此人们把注意力转向 Si?N4陶瓷材料。

    Si?N4是一种共价键化合物，主要有α和β两种晶体结构，均为六角晶形。其中β-Si?N4在平均原子量、原子键键强等方面与碳化硅、氮化铝较为相似，但结构相对复杂对声子散射比较大，故在早期阶段人们认为氮化硅的热导率很低。直到 1995 年，Haggerty等提出复杂的晶体结构并非镜讹硅低热导率的原因，而是晶格内缺陷、杂质等原因，并预测p-Si?N4 胸资热导率可以达到 200-320W/(m.K）。在1999年，Watar 等用热等静压法在温度 2773K 、氮气压力 200MPa 的条件下制备出了热导率为 155w/(m.K）氮化硅陶瓷，用实验的方法证明了氮化硅陶瓷具有很高的热导率；此外，研究者们对 Si?N4热膨胀系数，机械性能、抗氧化性、电绝缘性、对环境的影响等方面分别进行了不懈的研究，发现均能获得令人满意的结果，因此氮化硅被认为是一种很有潜力的高速电路和大功率电子器件散热基板和封装材料。