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氮化硅（Si?N?）的本征熱導率大約320 W/(m·K)，是一種具有高導熱性能及優(yōu)越機械特性的結構陶瓷材料。在常溫下，它表現出極高的穩定性，因此成為當代廣受歡迎的半導體陶瓷基板封裝材料。盡管如此，氮化硅的實(shí)際熱導率與其理論值之間存在顯著(zhù)差異。本文旨在探究導致這一差距的因素。

１ 晶格氧

Si?N?的熱導主要依賴(lài)于聲子的傳導，而晶格缺陷如空位、層錯及晶間雜質(zhì)的存在會(huì )導致聲子的散射加劇，從而降低Si?N?的熱導率。

晶格氧是影響Si?N?熱導率的關(guān)鍵因素。在氧原子進(jìn)入Si?N?的晶格后，會(huì )形成Si空位，這樣顯著(zhù)縮短了聲子運動(dòng)的平均自由程，進(jìn)而降低Si?N?的熱導率。為了進(jìn)一步提升Si?N?的熱導率，可以通過(guò)降低原材料中的氧含量來(lái)提高燒結活性，同時(shí)保持原材料的粒徑較小，避免引入額外的氧雜質(zhì)。

Si?N?常用的燒結助劑也往往會(huì )引入晶格氧。同時(shí)，在液相中會(huì )形成熱導率通常低于1 W/(m·K) 的晶間第二相，這也對 Si?N? 的實(shí)際熱導率產(chǎn)生負面影響。研究發(fā)現，當采用稀土氧化物作為燒結助劑時(shí)，氮化硅的晶格氧含量會(huì )因元素離子半徑的減小而降低，在確保燒結致密度和晶粒尺寸良好的前提下，盡量實(shí)現低溫燒結，以降低氮化硅陶瓷基板的生產(chǎn)成本。

此外，引入適量的還原性碳粉可減少二次相的生成，促進(jìn)晶格的純凈度，同時(shí)避免過(guò)量游離碳的出現，從而提高熱導率。

2、氮化硅的晶體結構

氮化硅是一種具有強共價(jià)鍵的化合物，其相對分子質(zhì)量為140.68,常見(jiàn)的晶體結構有 α-Si?N? 和 β-Si?N?，均歸屬于六方晶系。因氮化硅陶瓷的燒結溫度通常在 1800 ℃ 以上，β-Si?N? 通常是工業(yè)應用中氮化硅陶瓷產(chǎn)品的主要晶相。

（1）β-Si?N?晶粒生長(cháng)驅動(dòng)力在α-Si?N?轉變?yōu)棣?Si?N?的相變過(guò)程中，未轉變的α-Si?N?會(huì )顯著(zhù)影響其熱導率。這表明，為了提高β-Si?N?的導熱性能，有必要通過(guò)促進(jìn)α-Si?N?向β-Si?N?的晶型轉變，來(lái)激勵β-Si?N?的形核與生長(cháng)。  

（2）β-Si?N? 晶粒生長(cháng)形貌β-Si?N?晶粒尺寸的增加，熱導率也明顯提升。延長(cháng)退火時(shí)間同樣能夠顯著(zhù)增強氮化硅的熱導性能。然而，當晶粒達到某個(gè)臨界尺寸后，進(jìn)一步促進(jìn)晶粒的增大對β-Si?N?的導熱性并不會(huì )產(chǎn)生明顯的提升。

3、致密度致密度對氮化硅的熱導性能具有顯著(zhù)影響。

隨著(zhù)氣孔率的增加，氮化硅的實(shí)際熱導率明顯降低。此外，具有較高熱導率的氮化硅陶瓷通常也伴隨著(zhù)較大的密度和熱擴散系數。使用稀土氧化物可以幫助實(shí)現高致密度的氮化硅陶瓷。

4、燒結工藝氮化硅陶瓷的致密化需要通過(guò)液相燒結實(shí)現，6種氮化硅陶瓷燒結工藝對比如下：

在不同的燒結工藝和燒結條件下，Si?N?的致密度會(huì )有所不同。因此，尋找合適的燒結方法，并結合有效的手段降低晶格氧含量，是獲取高熱導率Si?N?陶瓷的關(guān)鍵所在。