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高導熱氮化硅陶瓷的制備及其在電子封裝基板中的應用

轉載自:中國粉體網 

氮化硅陶瓷具有高強度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、比重低以及抗熱震等優良性能,具有良好的發展前景。另外,氮化硅陶瓷具有比較高的理論熱導率,該特性使其被認為是一種很有潛力的高速電路和大功率器件散熱和封裝材料。

高導熱氮化硅陶瓷的制備

原料粉體的選擇

氮化硅具有兩種晶型:α-Si 3 N 4 和β-Si 3 N 4 ,高溫下α相為非穩定態,易轉化為高溫穩定的β相。研究發現隨氮化硅陶瓷中β相含量在40%-100%范圍內逐漸增大時,氮化硅陶瓷熱導率呈線性增加,故高純β相是獲得高導熱氮化硅陶瓷的關鍵因素。α-Si 3 N 4 和β-Si 3 N 4 粉都可作為制備β-Si 3 N 4 陶瓷的原料。

以α-Si 3 N 4 粉末作為原料,燒結過程中通過溶解沉淀機制促進α→β相變,其燒結驅動力較高,可得到高β相氮化硅陶瓷。而采用β相為原料可獲得純β相氮化硅陶瓷,但其燒結過程中無相變,驅動力較小,燒結相對較為困難,且由于Si 3 N 4 在1800℃以上易發生分解,為保證燒結致密,多采用氣壓燒結,以提高燒結驅動力及其分解溫度,故生產成本提高較多。

燒結助劑的選擇

氮化硅陶瓷屬于強共價鍵化合物,依靠固相擴散很難燒結致密,必需添加燒結助劑,如MgO、Al 2 O 3 、CaO和稀土氧化物等,在燒結過程,添加的燒結助劑中可以與氮化硅粉體表面的原生氧化物發生反應,形成低熔點的共晶熔液,利用液相燒結機理實現致密化。然而,燒結助劑所形成的晶界相自身的熱導率較低,對氮化硅陶瓷熱導率具有不利影響,如氮化硅陶瓷常用的Al 2 O 3 燒結助劑,在高溫下會與氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶體,造成晶界附近的晶格發生畸變,對聲子傳熱產生阻礙,從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導率。因此選用適合的燒結助劑,制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導率的關鍵途徑。

氧化物類燒結助劑是氮化硅陶瓷常用的燒結助劑體系,最常見的為金屬氧化物和稀土氧化物的組合,Y 2 O 3 -MgO體系的燒結助劑是高導熱氮化硅材料應用比較廣泛的燒結助劑體系,此外,Yb 2 O 3 也是一種常見的稀土氧化物燒結助劑。除常用的氧化物燒結助劑外,近年來,制備氮化硅陶瓷,特別是高導熱氮化硅陶瓷的一個研究熱點是對于非氧化物燒結助劑的研究。

非氧化物燒結助劑的優勢在于可以減少額外引入的氧,這對于凈化氮化硅晶格,減少晶界玻璃相,提高熱導率及高溫性能具有重要的意義。除稀土氧化物被稀土非氧化物替代作為燒結助劑的研究外,還有一些研究采用Mg的非氧化物替代MgO作為燒結助劑,以達到降低晶格含氧量,提高熱導率的目的。然而非氧化物燒結助劑也存在著原料難得,成本較高,燒結難度大,條件高等問題。因此目前非氧化物燒結助劑在高導熱氮化硅材料批量化制備方面還沒有廣泛的應用。

燒結方式的選擇

目前,氮化硅陶瓷燒結主要使用的燒結方法有熱壓燒結、氣壓燒結、放電等離子燒結等。這些燒結方式在氮化硅陶瓷的燒結中各有優勢。放電等離子燒結方式速度很快,從燒結冷卻大約只要1個小時左右,十分適合快速燒結,有利于研究陶瓷的燒結特性;氣壓燒結的優點在于燒結成本較低,并且能夠制備形狀較為復雜的產品,使生產能夠批量化進行。對于熱壓燒結方式來說,這種燒結方式由于外加機械加壓的原因,使燒結的驅動力得到了絕大的提高,對于難以燒結的共價化合物陶瓷來說是一種十分有效的致密化燒結技術。

氮化硅陶瓷在電子封裝基板中的應用

現代微電子技術發展異常迅速,電子系統及設備向大規模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發展。電子系統集成度的提高將導致功率密度升高,以及電子元件和系統整體工作產生的熱量增加,因此,有效的電子封裝必須解決電子系統的散熱問題,電子封裝內基板材料的導熱性能則是影響整個電子系統散熱的關鍵。氮化硅陶瓷是綜合性能最好的結構陶瓷材料,單晶氮化硅的理論熱導率可達400W/(m·k),具有成為高導熱基片的潛力。此外Si 3 N 4 的熱膨脹系數為3.0×10 -6 /℃左右,與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好,這使Si 3 N 4 成為一種極具吸引力的高強高導熱的電子器件基板材料。

3種陶瓷基板材料性能對比

相比于其他陶瓷材料來說,氮化硅陶瓷具有許多優異的特性,比如具有較高的理論熱導率、良好的化學穩定性能、無毒、較高的抗彎強度和斷裂韌性等。目前關于高導熱氮化硅陶瓷的研究報道中,熱導率最高可達到177W·m -1 ·K -1 ,并且力學性能也較為優異(抗彎強度達到了460MPa,斷裂韌性達到了11.2MPa·m 1/2 ),這些特性使其被認為是一種很有潛力的高速電路和大功率器件的散熱封裝材料。Si 3 N 4 陶瓷基片廣闊的市場前景引起了國際陶瓷企業的高度重視,目前,國際上高導熱氮化硅陶瓷基板主要的供應商有美國羅杰斯公司和日本東芝公司,其生產的高導熱氮化硅陶瓷熱導率均能達到90W·m -1 ·K -1 ,抗彎強度和斷裂韌性也分別能達到650MPa和6.5MPa·m 1/2 。

參考資料:

吳慶豐、胡豐等.高性能氮化硅陶瓷的制備與應用新進展

徐鵬、楊建等.高導熱氮化硅陶瓷制備的研究進展

鄭彧、童亞琦等.高導熱氮化硅陶瓷基板材料研究現狀

張偉儒、高崇等.氮化硅:未來陶瓷基片材料的發展趨勢

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