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高导热氮化硅陶瓷的制备及其在电子封装基板中的应用

  氮化硅陶瓷具有高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、比重低以及抗热震等优良性能,具有良好的发展前景。另外,氮化硅陶瓷具有比较高的理论热导率,该特性使其被认为是一种很有潜力的高速电路和大功率器件散热和封装材料。

  氮化硅具有两种晶型:α-Si 3 N 4 和β-Si 3 N 4 ,高温下α相为非稳定态,易转化为高温稳定的β相。研究发现随氮化硅陶瓷中β相含量在40%-100%范围内逐渐增大时,氮化硅陶瓷热导率呈线性增加,故高纯β相是获得高导热氮化硅陶瓷的关键因素。α-Si 3 N 4 和β-Si 3 N 4 粉都可作为制备β-Si 3 N 4 陶瓷的原料。

  以α-Si 3 N 4 粉末作为原料,烧结过程中通过溶解沉淀机制促进α→β相变,其烧结驱动力较高,可得到高β相氮化硅陶瓷。而采用β相为原料可获得纯β相氮化硅陶瓷,但其烧结过程中无相变,驱动力较小,烧结相对较为困难,且由于Si 3 N 4 在1800℃以上易发生分解,为保证烧结致密,多采用气压烧结,以提高烧结驱动力及其分解温度,故生产成本提高较多。

  氮化硅陶瓷属于强共价键化合物,依靠固相扩散很难烧结致密,必需添加烧结助剂,如MgO、Al 2 O 3 、CaO和稀土氧化物等,在烧结过程,添加的烧结助剂中可以与氮化硅粉体表面的原生氧化物发生反应,形成低熔点的共晶熔液,利用液相烧结机理实现致密化。然而,烧结助剂所形成的晶界相自身的热导率较低,对氮化硅陶瓷热导率具有不利影响,如氮化硅陶瓷常用的Al 2 O 3 烧结助剂,在高温下会与氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶体,造成晶界附近的晶格发生畸变,对声子传热产生阻碍,从而大幅度降低氮化硅陶瓷的热导率。因此选用适合的烧结助剂,制定合理的配方体系是提升氮化硅热导率的关键途径。

  氧化物类烧结助剂是氮化硅陶瓷常用的烧结助剂体系,最常见的为金属氧化物和稀土氧化物的组合,Y 2 O 3 -MgO体系的烧结助剂是高导热氮化硅材料应用比较广泛的烧结助剂体系,此外,Yb 2 O 3 也是一种常见的稀土氧化物烧结助剂。除常用的氧化物烧结助剂外,近年来,制备氮化硅陶瓷,特别是高导热氮化硅陶瓷的一个研究热点是对于非氧化物烧结助剂的研究。

  非氧化物烧结助剂的优势在于可以减少额外引入的氧,这对于净化氮化硅晶格,减少晶界玻璃相,提高热导率及高温性能具有重要的意义。除稀土氧化物被稀土非氧化物替代作为烧结助剂的研究外,还有一些研究采用Mg的非氧化物替代MgO作为烧结助剂,以达到降低晶格含氧量,提高热导率的目的。然而非氧化物烧结助剂也存在着原料难得,成本较高,烧结难度大,条件高等问题。因此目前非氧化物烧结助剂在高导热氮化硅材料批量化制备方面还没有广泛的应用。

  目前,氮化硅陶瓷烧结主要使用的烧结方法有热压烧结、气压烧结、放电等离子烧结等。这些烧结方式在氮化硅陶瓷的烧结中各有优势。放电等离子烧结方式速度很快,从烧结冷却大约只要1个小时左右,十分适合快速烧结,有利于研究陶瓷的烧结特性;气压烧结的优点在于烧结成本较低,并且能够制备形状较为复杂的产品,使生产能够批量化进行。对于热压烧结方式来说,这种烧结方式由于外加机械加压的原因,使烧结的驱动力得到了绝大的提高,对于难以烧结的共价化合物陶瓷来说是一种十分有效的致密化烧结技术。

  现代微电子技术发展异常迅速,电子系统及设备向大规模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向发展。电子系统集成度的提高将导致功率密度升高,以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加,因此,有效的电子封装必须解决电子系统的散热问题,电子封装内基板材料的导热性能则是影响整个电子系统散热的关键。氮化硅陶瓷是综合性能最好的结构陶瓷材料,单晶氮化硅的理论热导率可达400W/(m·k),具有成为高导热基片的潜力。此外Si 3 N 4 的热膨胀系数为3.0×10 -6 /℃左右,与Si、SiC和GaAs等材料匹配良好,这使Si 3 N 4 成为一种极具吸引力的高强高导热的电子器件基板材料。

  相比于其他陶瓷材料来说,氮化硅陶瓷具有许多优异的特性,比如具有较高的理论热导率、良好的化学稳定性能、无毒、较高的抗弯强度和断裂韧性等。目前关于高导热氮化硅陶瓷的研究报道中,热导率最高可达到177W·m -1 ·K -1 ,并且力学性能也较为优异(抗弯强度达到了460MPa,断裂韧性达到了11.2MPa·m 1/2 ),这些特性使其被认为是一种很有潜力的高速电路和大功率器件的散热封装材料。Si 3 N 4 陶瓷基片广阔的市场前景引起了国际陶瓷企业的高度重视,目前,国际上高导热氮化硅陶瓷基板主要的供应商有美国罗杰斯公司和日本东芝公司,其生产的高导热氮化硅陶瓷热导率均能达到90W·m -1 ·K -1 ,抗弯强度和断裂韧性也分别能达到650MPa和6.5MPa·m 1/2 。

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