热管理用氮化硅陶瓷热导率影响因素及改善途径

王峰1，贺智勇1，王晓波1，王不赖2，孟晴3，李江涛3 （1.中国钢研科技集团有限公司；2.中国地质大学材料科学与工程学院；3.中国科学院理化技术研究所，低温工程重点实验室)

摘要：随着电子功率器件向高电压、大电流、高功率密度发展，其在运行过程中会产生更多的热量，承受更大的热应力，这就对器件用陶瓷基板的散热性能及可靠性提出了更高的要求。传统陶瓷基板如氧化铝(热导率低)、氮化铝(力学性能差)已难以满足大功率器件要求。氮化硅陶瓷由于兼具较高的理论热导率与优异的力学性能而成为大功率器件用陶瓷基板的首选材料。但是氮化硅陶瓷的实际热导率与理论值尚存在较大差距，晶格氧含量是主要影响因素。另外，氮化硅陶瓷在制备过程中需要引入适宜的烧结助剂，由烧结助剂引入而引起氮化硅陶瓷显微结构（致密度、晶粒形貌、晶界相含量与分布及平均晶界薄膜厚度等)的变化也会影响其热导率。氮化硅陶瓷显微结构的演变又与其成型技术、烧结工艺密切相关。降低晶格氧含量，减少晶界相，获得具有由细小晶粒与大长柱状晶粒组成的双峰结构是获得高导热氮化硅陶瓷的关键。本文从氮化硅结构与热学性质入手，对晶格氧与显微结构对氮化硅陶瓷热导率的影响作用机制进行了讨论，从原料粉体、烧结助剂、烧结工艺、结构织构化4个方面对氮化硅陶瓷中晶格氧的调控作用、显微结构的演变过程及热导率的强化机理进行了阐述，对高导热氮化硅陶瓷发展现状及面临的挑战进行了探讨，最后对高导热氮化硅陶瓷未来发展前景进行了展望。

关键词：氮化硅陶瓷；氧杂质；显微结构；热导率；改善途径