科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·62·2023年第06期
文章编号：2095-6835（2023）06-0062-03
王琳1，解帅福1，路萌萌1，赵嫄2，周正源3，付华1
（1.石家庄铁道大学材料科学与工程学院，河北石家庄050043；2.石家庄铁道大学管理学院，河北石家庄050043； 3.石家庄铁道大学信息科学与技术学院，河北石家庄050043）
摘要：随着电子电力行业的发展，半导体器件在高电压和高电流作用下产生的高热应力要求有高效的散热系统，基板材料兼具高冲击强度、高耐热循环冲击稳定性和高热导率。Si3N4陶瓷抗弯强度达到 900MPa，耐800℃抗热冲击温差，热膨胀系数与单晶Si和SiC晶体相近，是综合性能优异的高导热基板材料。由于晶体缺陷和杂质所引起的声子散射，Si3N4热导率远远达不到理论计算值320W/（m·K）。从Si3N4结构、原料粉体、烧结助剂、成型技术与性能等角度阐述了新型氮化硅陶瓷基板材料的研发状况，并对高温导热基板材料的未来发展趋势与应用做出了预测。 关键词：陶瓷基板；氮化硅；热导率；抗弯强度
中图分类号：TQ174.5文献标志码：A DOI：10.15913/jki.kjycx.2023.06.018
随着电子电力行业的发展，半导体器件在高电压和高电流作用下产生的高热应力要求基板具有更高的散热能力。基板材料一般包括环氧树脂基板、金属材料基板和陶瓷基板3类[1]。环氧树脂基板成本低，易于设计制造；铝和铜金属基板导热率是环氧树脂基板的10倍以上，主要应用于大功率电子器件；陶瓷基板在力学性能方面具有超高抗弯强度和断裂韧性，在物理性能方面具有超高导热效率、低热膨胀系数、低介电常数和高抗电穿透能力，在工艺性能方面具有良好的软钎焊性能。陶瓷基板主要包括氧化铍（BeO）、氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4）这4种材料，其力学和物理性能如表1所示。其中，氮化硅（Si3N4）陶瓷具有高强度和高热导率，是综合性能优异的散热基板材料[1-2]。
表1陶瓷基板力学和物理性能
基板材料抗弯强度/MPa冷热冲击/℃
断裂韧性/
（MPa·m1/2）
热导率/
（W·m-1·K-1)
热膨胀系数/℃-1
介电常数
（1MHz）
毒性
Si3N4900700～8006～8理论值为320
实验值为20～177
2.8×10-6～
3.2×10-69.4无
AlN350300～400 2.7理论值为320
实验值为180～260
4.5×10-68.8无Al2O3300～500200～3003～4理论值为15～307.2×10-69.7无BeO200～300100～3004理论值为200～2507.5×10-6 6.5有毒
1氮化硅结构
Si3N4是由Si-N单键所组成的截角四面体共价键物质，具有α、β和γ相3种结晶形式[3-5]，如图1所示。主要以α和β这2种六方布拉菲点阵存在，可在常压下制取。γ相只在高压和高温下制备，硬度最高可能达35GPa。2氮化硅原料
Si3N4初始原料粉体包括Si粉和Si3N4粉2类。原料粉中的杂质O晶格缺陷会增强声子散射，杂质Al 置换Si固溶于晶格中，形成SiAlON相，两者都使热导率降低。Fe作为催化剂，可促进Si和N的扩散，生成SiO2表面氧化膜和FeSi2液相，加速β-Si3N4晶粒长大。但Fe质量分数过高时（大于5%）会产生气孔等问题而降低强度和导热性能。
3氮化硅的烧结助剂
Si3N4属于高强共价键材料，固相扩散速度很低，很难完全烧结，致密度不高，一般需加入少量的烧结助剂，生成较低熔点的共晶相，通过液相烧结，获得较高的致密度。要求烧结助剂活性好、添加量
少，形成的晶界相黏度低、热导率高，减少O元素的引入。
烧结助剂有氧化物和非氧化物类2种，其中金属
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＊［基金项目］2021年度河北省大学生创新创业项目（编号：S202110107034X）
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2023年第06期
·63·
氧化物、稀土氧化物及其复合烧结助剂系统应用效果较好。目前使用较多的烧结助剂是Y 2O 3-MgO ，热导率高达177W/（m·K ），断裂韧性为11.2MPa·m 1/2，如图2所示[1]。陶瓷基板的制备工艺流程如图3
所示。
（a ）α相晶体结构（b ）β
相晶体结构
（c ）γ相晶体结构
图1Si 3N 4的α、β和γ相3种晶体结构
（a ）断裂形貌
（b ）断口形貌
图2
Si 3N 4的断裂形貌及断口形貌（裂纹从左至右扩展）
图3陶瓷基板的制备工艺流程
非氧化物烧结助剂不含O ，能净化Si 3N 4晶体，降低晶界玻璃相，并改善导热能力以及高温力学性能。但原料难得、成本较高、烧结难度大。常用的有MgSiN 2、YF 3、ZrSi 2、稀土金属氢化物（REH 2）及其复合助剂等，可使热导率提升15%以上。用Yb 2O 3-MgSiN 2作陶瓷烧结助剂，制备
的Si 3N 4陶瓷热导率超过140W/（m·K ）。
以ZrSi 2为烧结助剂[6]，原位生成ZrO 2和棒状β-Si 3N 4颗粒作为晶种，促进大尺寸β-Si 3N 4晶粒生长。在Si 3N 4晶粒间析出ZrN 相，可减少声子在晶界处的散射。以ZrSi 2-MgO 为助剂，1900℃保温12h ，Si 3N 4热导率为113.91W/（m·K ），以ZrSi 2-MgSiN 2二元非氧化物为助剂时热导率为117.32W/（m·K ）；以YH 2-MgO 为助剂，1900℃保温12h 烧结后，Si 3N 4的断裂韧性超过9MPa·m 1/2，抗弯强度超过690MPa ，热导率超过120W/（m·K ）；以YbH 2、YH 2、GdH 2为烧结助剂，1900℃下经过24h 烧结后的Si 3N 4陶瓷热导率超过130W/（m·K ）[6]。4
陶瓷基板结构与工艺
Si 3N 4基板的主要成型方式有浇注和注射成型、轧膜、流延、磁场技术与陶瓷成型方法相结合等，流延成型是大批量工程制备常用的工艺。流延法生产的
Si 3N 4晶粒具有各向异性，同时辅助强磁场作用，使陶瓷晶粒定向生长，在水平流延成型方向的热导率大于150W/（m·K ），在垂直流延方向上的热导率只有50W/（m·K ）[1]。
烧结方式一般有反应烧结重烧结（SRBSN ）、热压烧结（HPS ）、热等静压烧结（HIP ）和气压压力烧结（GPS ）。反应烧结法是将Si 粉（小于80μm ）等静压
成型并干燥后，在氮气中高温烧结反应氮化。增加晶种和增加烧结工艺温度都可以使晶态转化，而外加强磁场也能促使颗粒定向生长，从而提高热导率。
陶瓷基板依照构造原理，常用的制造工艺有低温共烧陶瓷基板（LTCC ）和高温共烧多层陶瓷基板（HTCC ），其工艺流程分别如图4所示。
（a ）HTCC
5μm
20μm 控制粒度
杂质O 、Al 含量
Fe 质量分数小于5%
G3钎焊G4镀金
镀镍G2烧结G1流延裁料冲腔冲孔
填孔印刷
热切
张丽种子叠层
原料
Si 粉
Si 3N 4粉
烧结助剂
氧化物
Y 2O 3-MgO
浇注非氧化物
MgSiN 2、YF 3、
ZrSi 2、YbH 2、YH 2
磁场烧结工艺
流延
复合烧结助剂Y 2O 3-MgO Yb 2O 3-MgSiN 2ZrSi 2-MgSiN 2
成型工艺济南丝足
轧膜
注射
热压烧结（HPS ）
热等静压烧结（HIP ）气压压力烧结（GPS ）
反应烧结重烧结（SRBSN ）
基板结构与工艺
低温共烧（LTCC ）活性金属焊接（AMB ）直接键合铜（DBC ）高温共烧（HTCC ）薄膜（TFC ）厚膜印刷（TPC ）
激光活化金属（LAM ）
直接镀铜（DPC ）
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科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·64·2023年第06期
（b）LTCC
图4HTCC和LTCC典型工艺流程
不同工艺制备的陶瓷基板结合强度差别较大，表2为几种不同工艺下平面陶瓷基板的性能比较，高温下基片界面以化学键键合，界面强度高于低温下的物理键和范德华键合。
LTCC可以实现3D设计的微波传输线路、逻辑控制线和电源电路，具有传热系数K值低，一般为4～8W/（m2·K）和介质损耗tanδ（介质损失角正切值）低，一般小于等于0.002的特点，采用Au、Ag导体热损耗较小，可进行多层设计，保密性强，一般是多芯片多层陶瓷组件（Multichip Multilayer Ceramic Module，MMCM）和系统封装的理想成型工艺。LTCC 技术广泛应用于高速数字电路的微波和毫米波段的小型微波多芯片组件（Multi-Chip Module，MCM）系统，用于X波段（10GHz）相控阵
T/R尤其是毫米波封装和收/发（Receiver/Transmitter）。LTCC技术蓝牙组件可集成60多种元器件，18层，尺寸小到3mm×6.5mm×1.7mm，小孔直径为120µm。表3为通过干压成型、常压和气压低温共烧工序生产的Si3N4平板全压接陶瓷结构件的性能指标，主要适用于柔性高压直流输电设备和城市轨道交通控制器件等应用领域。
贝芙美表2平面陶瓷基板工艺与性能比较
工艺
性能
工艺温度/℃界面强度/MPa厚度/μm精度/μm耐热/℃
高温共烧HTCC1300～160050100501000低温共烧LTCC850～9004510025600直接镀铜DPC30010～3010～10030～50300直接键合铜DBC106520～30100～600200500厚膜印刷TPC850～90030～4010～20100500薄膜TFC溅射镀膜沉积40～600.1～1.010500活性金属焊接AMB焊料200～120035～300200200400激光活化金属LAM几秒加热到80030～4520010～20300陶瓷基片
表3氮化硅平板全压接陶瓷结构件性能指标
性能抗弯强度/
MPa
抗压强度/
MPa
无政府主义维氏硬度/
GPa漏率/（Pa·m3
·s-1）绝缘电阻/
方正s230MΩ
平行度/
mm
平整度/
mm
粗糙度/
μm
耐压/
kV
参数≥750≥2300≥15≤1×10-9≥15≤0.029≤0.005≤0.500≥21
5结论
伴随电子晶片向高性能、安全、高集成自动化程度走向的发展，电器元件的总发热量和相对比热量流量也愈来愈高，通过控制原料粉体、烧结助剂和成型工序等，生产热导率超过350W/（m·K）而且热膨胀系数与基材相近的超高导热材料，包括具备极高的导热性和高强度的碳纤维、碳纳米管、石墨烯等碳材料，是未来性能极佳的半导体基板封装材料。
参考文献：
［1］郑彧，童亚琦，张伟儒.高导热氮化硅陶瓷基板材料研究现状［J］.真空电子技术，2018（4）：
13-17.［2］廖圣俊，周立娟，尹凯俐，等.高导热氮化硅陶瓷基板研究现状［J］.材料导报，2020，34（11）：
21105-21114.
［3］刘幸丽，宁晓山，YOSUKE T.微观组织调控对氮化硅强度及热导率的影响［J］.稀有金属材料与
工程，2015，44（增刊1）：270-273．［4］彭萌萌，宁晓山.β-氮化硅粉烧结氮化硅陶瓷热导率［J］.稀有金属材料与工程，2013，42（增刊1）：
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［5］ZHOU Y，HYUGA H，KUSANO D，et al.A tough silicon nitride ceramic with high thermal
conductivity［J］.Advanced materials，2011，23
（39）：4563-4567.
［6］王为得，陈寰贝，李世帅，等.以YbH2-MgO体系为烧结助剂制备高热导率高强度氮化硅陶瓷［J］.
无机材料学报，2021，36（9）：959-966.————————
作者简介：王琳（2001—），女，河北邢台人，本科在读。
通信作者：付华（1968—），女，陕西蒲城人，博士，教授，研究方向为复合材料/金属材料。
（编辑：丁琳）
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