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氮化硅(Si₃N₄)具有高強度、高韌性、耐熱沖擊性、耐磨損和耐腐蝕等性能，是一種應用廣泛的高性能結構材料，除此之外，Si₃N₄陶瓷還具有良好的抗氧化性、熱膨脹系數與SiC等半導體材料接近、電絕緣性好、介電常數低、無毒等性能，被認為是一種很有潛力的高速電路和大功率器件散熱和封裝材料。

Si₃N₄陶瓷的理論熱導率雖然很高（單晶理論熱導率高達320 W/m·K），但采用常規方法制備的Si₃N₄陶瓷基板熱導率測試值卻較低，實際生產一般在100W/m·K以內，影響了氮化硅陶瓷基板的推廣應用進程。

那么都是哪些因素影響了氮化硅陶瓷基板的熱導率呢？

研究表明，這跟Si₃N₄陶瓷燒結后的微觀結構密切相關，其影響因素主要有致密化程度、氧含量、晶間相組成和含量等。

Si₃N₄燒結體的典型微觀結構

由于氮化硅的主要傳熱機制是晶格振動，通過聲子來傳導熱量。晶格振動并非是線性的，晶格間有著一定的耦合作用，聲子間會發生碰撞，使聲子的熱量傳遞受到一定的阻礙。另外，Si₃N₄晶體中的各種缺陷、雜質以及晶粒界面都會引起聲子的散射，也一定程度降低了聲子傳導效率，從而降低熱導率。

其中，在諸多晶格缺陷中，晶格氧是影響氮化硅陶瓷熱導率的主要缺陷之一。氧原子在燒結的過程中會發生固溶反應，生成硅空位，并且原子取代會使晶體產生一定的畸變，這些都會引起聲子的散射，從而降低Si₃N₄晶體的熱導率。因此通過降低晶格氧含量來制得高熱導率的氮化硅顯得尤為關鍵。

而影響最終Si₃N₄燒結體微觀結構的重要因素，除了原料和制備工藝，還有燒結助劑。Si₃N₄屬于共價化合物，有著很小的自擴散系數，在燒結過程中依靠自身擴散很難形成致密化的晶體結構，因此添加合適的燒結助劑和優化燒結助劑配比能得到高熱導率的氮化硅陶瓷。

通過添加合適的燒結助劑獲得致密的氮化硅陶瓷結構

在制備Si₃N₄陶瓷時，MgO、Al₂O₃和Y₂O₃等是常用的燒結助劑，但這些氧化物助劑的引入會提升材料中的氧含量，不利于Si₃N₄陶瓷熱導率的提高。為了提高Si₃N₄陶瓷的熱導率，許多國內外學者在開發非氧化物新體系燒結助劑投入了大量的研究。

近些年采用MgSiN₂作為燒結助劑逐漸引起研究者的關注。

MgSiN₂的晶體結構與AlN類似，是一種熱學性能優異的高熱導材料，在全致密情況下，其理論熱導率達到75 W/m·K，其高導熱性，不僅可以用作高熱導陶瓷基板材料和理想的封裝材料，同時其可以作為燒結助劑制備高熱導氮化硅陶瓷。MgSiN₂作為燒結助劑時，能夠凈化Si₃N₄晶粒，降低氮化硅晶格氧含量，增強晶粒生長，從而大幅提高氮化硅陶瓷的熱導率，是當前公認助劑體系中必備成分之一。

MgSiN2結構示意圖

（與AlN的區別是在Al³⁺的位置上分別替代為Mg²⁺和Si⁴⁺原子）

下圖展示了日本研究人員以MgSiN₂作為燒結助劑時，獲得了低晶格氧含量、高熱導率氮化硅陶瓷的實驗結果，表明了MgSiN₂對提高熱導率氮化硅陶瓷熱導率的積極作用。

以MgSiN₂作為燒結助劑制備低晶格氧含量、高熱導率氮化硅陶瓷

盡管MgSiN₂有諸多優異性質及現實應用，但國內目前尚未形成該產品的穩定供應，其應用優勢無法釋放，這也部分制約了國內高熱導氮化硅陶瓷量產進程。造成上述癥結的根本原因在于，目前國內尚未形成MgSiN₂的高品質、批量化、低成本制備技術。

MgSiN₂作為燒結助劑能更好地發揮降低氮化硅晶格氧含量的作用，因此，制備高純度、性能穩定的 MgSiN₂成為應用的關鍵。

針對這一難題，齊魯中科光物院的研究人員通過上百次嘗試及與客戶互動，成功開發了高品質的MgSiN₂粉體的批量制備工藝，粉體純度達到99%、氧含量和其他雜質含量低，在此基礎上，已完成中試及規模化生產驗證，實現了MgSiN₂粉體的高品質、批量化、低成本制備，有望推進國內高熱導氮化硅陶瓷基板產業化的飛速發展。

齊魯中科光物院制備的高純MgSiN₂粉體

樣品測試參數如下表：

除高熱導氮化硅專用MgSiN₂燒結助劑外，齊魯中科光物院已在中試規模實現了自制高熱導專用Si₃N₄粉的小批量生產，利用自產高熱導專用Si₃N₄粉及自產MgSiN₂燒結助劑，已在實驗室實現熱導率120W/m·K陶瓷制備，目前，研發人員正在集中攻關高熱導專用Si₃N₄粉的穩定批量生產。

氮化硅陶瓷基板電子封裝領域的應用范圍越來越廣，然而相對于早已有成熟產品的國外，我國的氮化硅陶瓷基板的發展仍處于起步階段，在高性能粉體及高導熱基板的制備生產上仍有一定的差距。深入了解材料的作用機理，從原材料入手，從根源上“對癥下藥”，才能讓我國的陶瓷基板產業更上一個臺階。高品質原料粉體的穩定供應，無疑是給諸多陷入瓶頸的陶瓷基板廠商注入一針“強心劑”，期待它給我國氮化硅陶瓷基板產業發展帶來的助推作用。

粉體圈小吉

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