高導熱率氮化硅散熱陶瓷

隨著我國高鐵、航天、等領域的快速發展，未來對大功率電力電子器件的需求也將越來越大。為了適應較加復雜、苛刻的應用條件，大功率電力電子器件朝著高溫、高頻、低功耗以及智能化、模塊化、系統化方向發展，這對整個電子器件的散熱提出了嚴峻的挑戰，而功率器件中基板的作用是吸收，芯片產生的熱量，并傳到熱沉上，實現與外界的熱交換 ，所以制備高熱導率基板材料成為研發大功率模塊電子產品的關鍵所在。例如目前大功率 led 的發光效率僅有 10%-20%，其余的能量則轉化為熱能，如果芯片的熱量不能及時的散出去，就會影響芯片的出光效率，或者縮短芯片使用壽命甚至失效。近年，大功率 igbt 電子模塊在混合動力/電動汽車的電機驅動、電池充電、電平轉換等重要子系統中得到了廣泛應用，由于混合動力/電動汽車中 igbt 模塊靠近發熱量大的熱源,芯片的溫度有可能高達 175c°，甚至較高，同時混合動力/電動汽車上空間要求很苛刻，這進一步增加了散熱的難度。因此，未來芯片發熱量高、熱應變大、要求環保無污染等應用狀況對散熱基板材料提出了較新、較高的要求。
大功率散熱基板材料要求具有、高電絕緣性、高穩定性、高導熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數（cte）、平整性和較高的強度等。為了滿足這些要求，人們將目光投向了金屬氧化物、陶瓷、聚合物、復合材料等。主要應用的散熱基板材料有ann、beo、sic、bn、si等。
金屬氧化物，雖然具**械強度高、耐熱沖擊和介質損耗小等優點，但因為具有較低的熱導率且高純氧化鋁難以燒結造價昂貴，故已不能滿足大功率散熱基板材料的要求; beo 熱導率高，但其線膨脹系數與si相差很大，高溫時熱導率急劇下降且制造時有毒，限制了其應用范圍;bn雖然具有較好的綜合性能，但作為基板材料價格太昂貴，目前只處于研究和推廣之中sic具有高強度和高熱導率，但其電阻和絕緣耐壓值都較低，介電常數偏大，不宜作為基板材料一硅作為散熱基板材料加工困難，成本高；單一金屬材料具有導電及熱膨脹系數失配等問題，因此以上材料很難滿足未來大功率散熱基板材料的苛刻要求。
到目前為止，人們研究發現， ain 表現出高達200w / (m·k)的熱導率，因此 ain 高熱導率散熱材料已開始被應用在一些重要的大功率電子芯片的散熱基板中。然而，山于 ain 的機械性能不能充分滿足大功率散熱基板材料的要求（一般來說，彎曲強度 300-400mpa ,析裂韌性 3-4 mpa) ，導致基板可靠性低。同時 ain 的燒結溫度很高（ 1900℃ 左右）且在水中容易水解形成偏鋁酸，這也限制了ain 的應用。研究者們迫切希望尋求一種可替代ain的具有高熱導率和優良綜合性能的散熱基板材料，因此人們把注意力轉向 si n 陶瓷材料。
si n是一種共價鍵化合物，主要有 a 和 p 兩種晶體結構，均為六角晶形。其中 p -sin ．在平均原子量、原子鍵鍵強等方面與碳化硅、氮化鋁較為相似，但結構相對復雜對聲子散射比較大，故在早期階段人們認為氮化硅的熱導率很低。直到 1995 年，haggerty等提出復雜的晶體結構并非鏡訛硅低熱導率的原因，而是晶格內缺陷、雜質等原因，并預測 p-sin 胸資熱導率可以達到 200-320wi ( m.k ）。在 1 999 年， watar 等用熱等靜壓法在溫度 2773k 、氮氣壓力 200 mpa 的條件下制備出了熱導率為 155w / ( m . k ）氮化硅陶瓷，用實驗的方法證明了氮化硅陶瓷具有很高的熱導率：：此外，研究者們對 si3n4; 熱膨脹系數，機械性能、抗氧化性、電絕緣性、對環境的影響等方面分別進行了不懈的研究，發現均能獲得令人滿意的結果，因此氮化硅被認為是一種很有潛力的高速電路和大功率電子器件散熱基板和封裝材料。
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