以非氧化物为烧结助剂制备高导热氮化硅陶瓷的研究进展

功率半导体器件高电压、大电流、高功率密度的发展趋势,对器件中陶瓷基板的散热能力和可靠性提出了更高的要求,兼具高热导率和优异力学性能的氮化硅陶瓷作为功率半导体器件的首选散热基板材料受到了广泛关注。目前氮化硅陶瓷热导率的实验值与理论值存在较大差距,高温、长时间保温的制备条件不仅会使晶粒过分长大,削弱其力学性能,而且会造成成本高企,限制了其规模化应用。晶格氧缺陷是影响氮化硅陶瓷热导率的主要因素,通过筛选非氧化物烧结助剂降低体系中的氧含量,调节液相的组成和性质并构建“富氮-缺氧”的液相,调控液相中的溶解析出过程,促进氮化硅陶瓷晶格氧的移除及双峰形貌的充分发育,从而实现氮化硅陶瓷热导率-力学性能的协同优化是目前研究的热点。本文基于元素分类综述了当前国内外开发的非氧化物烧结助剂体系,着重从液相调节和微观形貌调控的角度介绍了非氧化物烧结助剂改善氮化硅陶瓷热导率的作用机理,分析了晶粒发育、形貌演变规律和晶格氧移除机制,并展望了高导热氮化硅陶瓷的未来发展前景。

以YbH_(2)-MgO体系为烧结助剂制备高热导率高强度氮化硅陶瓷

以YbH_(2)-MgO体系为烧结助剂,采用两步法烧结制备了高热导率高强度氮化硅陶瓷,研究了YbH_(2)-MgO对氮化硅致密化行为、相组成、微观形貌、热导率和抗弯强度的影响。在预烧结阶段,YbH_(2)在还原SiO_(2)的同时原位生成了Yb_(2)O_(3),进而形成“缺氧–富氮”液相。该液相不仅有利于晶粒的生长,更有利于阻碍晶格氧的生成,相较于Yb_(2)O_(3)-MgO助剂体系,β-Si_(3)N_(4)晶粒尺寸更大,晶格缺陷更少,低热导晶间相更少,在1900℃保温24 h后,热导率最优可达131.15 W·m^(–1)·K^(–1),较Yb_(2)O_(3)-MgO体系提升13.7%。用YbH_(2)代替Yb_(2)O_(3),在低温条件下烧结制备得到的氮化硅抗弯强度有所改善,在1800℃保温4 h的抗弯强度可达(1008±35)MPa;但在高温烧结时强度略有下降,这与微观结构的变化密切相关。研究表明,YbH_(2)-MgO体系是制备高热导率高强度氮化硅陶瓷的有效烧结助剂。