突破高导热氮化硅陶瓷基板“卡脖子”难题，从哪些方面下手？

■ 信息来源| 新型陶瓷

Si₃N₄是国内外公认兼具高导热、高可靠性等综合性能最好的陶瓷基板材料，这使得Si₃N₄成为第3代SiC半导体功率器件高导热基板材料的首选。随着以SiC为衬底的第3代半导体芯片在5G、新能源领域的快速推广，Si₃N₄陶瓷基板需求也迎来了快速发展阶段。

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氮化硅陶瓷基板性能

Si₃N₄具有3种结晶结构，分别为α相、β相和γ相。其中α相和β相是最常见的形态，均为六方结构。Si₃N₄陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等诸多优异性能，是综合性能最好的结构陶瓷材料。与其他陶瓷材料对比，Si₃N₄陶瓷在高温条件下表现出优异的耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。

三种陶瓷基板材料物理力学性能对比

从表中可以看出Si₃N₄陶瓷的抗弯强度、断裂韧性都可达到AlN的2倍以上，特别是材料可靠性上，Si₃N₄陶瓷有着其它二者无法比拟的优势。

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氮化硅陶瓷基板制备关键技术

Si₃N₄陶瓷材料虽然被认为是综合性能最好的结构陶瓷，但遗憾的是Si₃N₄陶瓷的实际热导率与理论热导率是有很大差距的，究其影响原因主要有：晶格排布和体相氧、物相组成、晶界相含量、陶瓷气孔及密度及其他杂质缺陷等。那么制备高导热氮化硅基板的关键技术就主要集中在原料粉体、配方体系、烧结制度。1、原料的选择氮化硅粉体有两种，一种为α-Si₃N₄粉体；另一种为β-Si₃N₄粉体。目前市场上的商业氮化硅粉的制备方法主要有硅粉直接氮化法和硅亚胺热解法。硅粉直接氮化法。该法在工业生产中工艺较为成熟，能够规模化生产，并且成本相对较低，因此国内外大多数企业使用该法来生产氮化硅粉。但该法的弊端在于其生产所得的氮化硅粉容易含有Fe、Ca、Al等杂质元素。硅亚胺热解法。该方法制备的氮化硅粉具有极高的α相含量，并且烧结活性优异，十分适合高性能氮化硅陶瓷的烧结与制备。2、烧结助剂的选择目前氮化硅烧结剂种类很多，大致分为氧化物和非氧化物、碳还原。氧化物烧结剂。研究表明，烧结助剂MgO和Al₂O₃均可提高烧结性能，不过由于Al₂O₃溶解到Si₃N₄晶粒中后会抑制晶粒生长，导致导热性降低，Al₂O₃烧结剂惨遭淘汰。而选择粒度较大的MgO可提升氮化硅的热导率。非氧化物烧结剂。为了进一步降低晶格氧含量，提高氮氧比，常使用非氧化物烧结助剂来制备热导率更高、性能更加优异的氮化硅陶瓷。研究表明相比于氧化物烧结助剂，非氧化物烧结助剂能额外提供氮原子，提高氮氧比，促进晶型转变，还能还原SiO₂起到降低晶格氧含量、减少晶界相的作用。碳还原。碳被广泛用作非氧化物陶瓷的烧结添加剂，其主要作用是去除非氧化物粉末表面的氧化物杂质。碳的加入使得氮化硅陶瓷中晶格氧的含量大幅降低，极大的提高了氮化硅陶瓷的热导率。且这种方法对于粉体含氧量和烧结助剂的要求不高，且制备成本不高，随着技术的发展，该种办法在实际工业化生产中有望得到广泛应用。3、烧结方式的选择目前，氮化硅陶瓷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应用中各有优势。放电等离子烧结。该方式速度很快，从烧结到冷却大约只要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。其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。热压烧结。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巨大的提高，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。此外，为了制备具有各向异性的陶瓷材料，可以通过成型方法调控晶粒的排列和生长进行，保证晶粒在一维或二维方向上能够产生较好的定向效果。目前流延、轧膜、浇注和注射成型等高导热氮化硅基板的成型方法中，流延成型被公认为最适合于工程化制备技术。

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氮化硅陶瓷基板产业化进展

高导热氮化硅基板材料已成为国内外各大先进陶瓷研究机构和企业争相研制与开发的下一代高性能导热基板材料。目前，国外能够生产应用氮化硅基板的主要企业有日本东芝、京瓷、丸和。国内各高校、研究院所和企业都在积极地进行产业化研究，目前实验室研制的Si₃N₄基板已达到或接近日本产品水平。其中，中材高新在氮化硅陶瓷领域的研究一直走到全国前列。中材高新氮化物陶瓷有限公司（以下简称“氮化物公司”）在“十三五”国家重点研发计划支持下，系统研究并突破了高导热Si₃N₄基板制备的技术关键和工程化技术问题，通过Si₃N₄粉体改性处理、晶格氧含量及晶界相控制、微观组织定向排布等多种技术组合，以及突破了材料均化、成型、烧结、表面处理及覆铜等多个制备工艺技术，研制出极高导热、高可靠性于一体综合和性能优异的半导体绝缘基板材料，建立起年产10万片（114mm×114mm）中试生产线。

目前，氮化物公司正在计划建设年产200t高端Si₃N₄制品项目，主导产品为热等静压Si₃N₄轴承球和高导热Si₃N₄基板。该项目的建成投产有效提升国产大功率半导体器件核心竞争力，服务支撑新能源汽车等战略性新兴产业的创新发展。

参考来源：张伟儒：第三代半导体碳化硅功率器件用高导热氮化硅陶瓷基板最新进展吴庆文：高性能氮化硅陶瓷的制备与应用新进展

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