氮化硅(Si₃N₄)具有高强度、高韧性、耐热冲击性、耐磨损和耐腐蚀等性能，是一种应用广泛的高性能结构材料，除此之外，Si₃N₄陶瓷还具有良好的抗氧化性、热膨胀系数与SiC等半导体材料接近、电绝缘性好、介电常数低、无毒等性能，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。

Si₃N₄陶瓷的理论热导率虽然很高（单晶理论热导率高达320 W/m·K），但采用常规方法制备的Si₃N₄陶瓷基板热导率测试值却较低，实际生产一般在100W/m·K以内，影响了氮化硅陶瓷基板的推广应用进程。

那么都是哪些因素影响了氮化硅陶瓷基板的热导率呢？

研究表明，这跟Si₃N₄陶瓷烧结后的微观结构密切相关，其影响因素主要有致密化程度、氧含量、晶间相组成和含量等。

Si₃N₄烧结体的典型微观结构

由于氮化硅的主要传热机制是晶格振动，通过声子来传导热量。晶格振动并非是线性的，晶格间有着一定的耦合作用，声子间会发生碰撞，使声子的热量传递受到一定的阻碍。另外，Si₃N₄晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起声子的散射，也一定程度降低了声子传导效率，从而降低热导率。

其中，在诸多晶格缺陷中，晶格氧是影响氮化硅陶瓷热导率的主要缺陷之一。氧原子在烧结的过程中会发生固溶反应，生成硅空位，并且原子取代会使晶体产生一定的畸变，这些都会引起声子的散射，从而降低Si₃N₄晶体的热导率。因此通过降低晶格氧含量来制得高热导率的氮化硅显得尤为关键。

而影响最终Si₃N₄烧结体微观结构的重要因素，除了原料和制备工艺，还有烧结助剂。Si₃N₄属于共价化合物，有着很小的自扩散系数，在烧结过程中依靠自身扩散很难形成致密化的晶体结构，因此添加合适的烧结助剂和优化烧结助剂配比能得到高热导率的氮化硅陶瓷。

通过添加合适的烧结助剂获得致密的氮化硅陶瓷结构

在制备Si₃N₄陶瓷时，MgO、Al₂O₃和Y₂O₃等是常用的烧结助剂，但这些氧化物助剂的引入会提升材料中的氧含量，不利于Si₃N₄陶瓷热导率的提高。为了提高Si₃N₄陶瓷的热导率，许多国内外学者在开发非氧化物新体系烧结助剂投入了大量的研究。

近些年采用MgSiN₂作为烧结助剂逐渐引起研究者的关注。

MgSiN₂的晶体结构与AlN类似，是一种热学性能优异的高热导材料，在全致密情况下，其理论热导率达到75 W/m·K，其高导热性，不仅可以用作高热导陶瓷基板材料和理想的封装材料，同时其可以作为烧结助剂制备高热导氮化硅陶瓷。MgSiN₂作为烧结助剂时，能够净化Si₃N₄晶粒，降低氮化硅晶格氧含量，增强晶粒生长，从而大幅提高氮化硅陶瓷的热导率，是当前公认助剂体系中必备成分之一。

MgSiN2结构示意图

（与AlN的区别是在Al³⁺的位置上分别替代为Mg²⁺和Si⁴⁺原子）

下图展示了日本研究人员以MgSiN₂作为烧结助剂时，获得了低晶格氧含量、高热导率氮化硅陶瓷的实验结果，表明了MgSiN₂对提高热导率氮化硅陶瓷热导率的积极作用。

以MgSiN₂作为烧结助剂制备低晶格氧含量、高热导率氮化硅陶瓷

尽管MgSiN₂有诸多优异性质及现实应用，但国内目前尚未形成该产品的稳定供应，其应用优势无法释放，这也部分制约了国内高热导氮化硅陶瓷量产进程。造成上述症结的根本原因在于，目前国内尚未形成MgSiN₂的高品质、批量化、低成本制备技术。

MgSiN₂作为烧结助剂能更好地发挥降低氮化硅晶格氧含量的作用，因此，制备高纯度、性能稳定的 MgSiN₂成为应用的关键。

针对这一难题，齐鲁中科光物院的研究人员通过上百次尝试及与客户互动，成功开发了高品质的MgSiN₂粉体的批量制备工艺，粉体纯度达到99%、氧含量和其他杂质含量低，在此基础上，已完成中试及规模化生产验证，实现了MgSiN₂粉体的高品质、批量化、低成本制备，有望推进国内高热导氮化硅陶瓷基板产业化的飞速发展。

齐鲁中科光物院制备的高纯MgSiN₂粉体

样品测试参数如下表：

除高热导氮化硅专用MgSiN₂烧结助剂外，齐鲁中科光物院已在中试规模实现了自制高热导专用Si₃N₄粉的小批量生产，利用自产高热导专用Si₃N₄粉及自产MgSiN₂烧结助剂，已在实验室实现热导率120W/m·K陶瓷制备，目前，研发人员正在集中攻关高热导专用Si₃N₄粉的稳定批量生产。

氮化硅陶瓷基板电子封装领域的应用范围越来越广，然而相对于早已有成熟产品的国外，我国的氮化硅陶瓷基板的发展仍处于起步阶段，在高性能粉体及高导热基板的制备生产上仍有一定的差距。深入了解材料的作用机理，从原材料入手，从根源上“对症下药”，才能让我国的陶瓷基板产业更上一个台阶。高品质原料粉体的稳定供应，无疑是给诸多陷入瓶颈的陶瓷基板厂商注入一针“强心剂”，期待它给我国氮化硅陶瓷基板产业发展带来的助推作用。

粉体圈小吉

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