高導(dǎo)熱率氮化硅散熱陶瓷

隨著我國高鐵、航天、等領(lǐng)域的快速發(fā)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(yīng)較加復(fù)雜、苛刻的應(yīng)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(tǒng)化方向發(fā)展，這對整個(gè)電子器件的散熱提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而功率器件中基板的作用是吸收，芯片產(chǎn)生的熱量，并傳到熱沉上，實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換 ，所以制備高熱導(dǎo)率基板材料成為研發(fā)大功率模塊電子產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。例如目前大功率 led 的發(fā)光效率僅有 10%-20%，其余的能量則轉(zhuǎn)化為熱能，如果芯片的熱量不能及時(shí)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(jī)驅(qū)動、電池充電、電平轉(zhuǎn)換等重要子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，由于混合動力/電動汽車中 igbt 模塊靠近發(fā)熱量大的熱源,芯片的溫度有可能高達(dá) 175c°，甚至較高，同時(shí)混合動力/電動汽車上空間要求很苛刻，這進(jìn)一步增加了散熱的難度。因此，未來芯片發(fā)熱量高、熱應(yīng)變大、要求環(huán)保無污染等應(yīng)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(wěn)定性、高導(dǎo)熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)（cte）、平整性和較高的強(qiáng)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(fù)合材料等。主要應(yīng)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(qiáng)度高、耐熱沖擊和介質(zhì)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榫哂休^低的熱導(dǎo)率且高純氧化鋁難以燒結(jié)造價(jià)昂貴，故已不能滿足大功率散熱基板材料的要求; beo 熱導(dǎo)率高，但其線膨脹系數(shù)與si相差很大，高溫時(shí)熱導(dǎo)率急劇下降且制造時(shí)有毒，限制了其應(yīng)用范圍;bn雖然具有較好的綜合性能，但作為基板材料價(jià)格太昂貴，目前只處于研究和推廣之中sic具有高強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率，但其電阻和絕緣耐壓值都較低，介電常數(shù)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(dǎo)電及熱膨脹系數(shù)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(fā)現(xiàn)， ain 表現(xiàn)出高達(dá)200w / (m·k)的熱導(dǎo)率，因此 ain 高熱導(dǎo)率散熱材料已開始被應(yīng)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(jī)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(qiáng)度 300-400mpa ,析裂韌性 3-4 mpa) ，導(dǎo)致基板可靠性低。同時(shí) ain 的燒結(jié)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(yīng)用。研究者們迫切希望尋求一種可替代ain的具有高熱導(dǎo)率和優(yōu)良綜合性能的散熱基板材料，因此人們把注意力轉(zhuǎn)向 si n 陶瓷材料。
si n是一種共價(jià)鍵化合物，主要有 a 和 p 兩種晶體結(jié)構(gòu)，均為六角晶形。其中 p -sin ．在平均原子量、原子鍵鍵強(qiáng)等方面與碳化硅、氮化鋁較為相似，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜對聲子散射比較大，故在早期階段人們認(rèn)為氮化硅的熱導(dǎo)率很低。直到 1995 年，haggerty等提出復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)并非鏡訛硅低熱導(dǎo)率的原因，而是晶格內(nèi)缺陷、雜質(zhì)等原因，并預(yù)測 p-sin 胸資熱導(dǎo)率可以達(dá)到 200-320wi ( m.k ）。在 1 999 年， watar 等用熱等靜壓法在溫度 2773k 、氮?dú)鈮毫?200 mpa 的條件下制備出了熱導(dǎo)率為 155w / ( m . k ）氮化硅陶瓷，用實(shí)驗(yàn)的方法證明了氮化硅陶瓷具有很高的熱導(dǎo)率：：此外，研究者們對 si3n4; 熱膨脹系數(shù)，機(jī)械性能、抗氧化性、電絕緣性、對環(huán)境的影響等方面分別進(jìn)行了不懈的研究，發(fā)現(xiàn)均能獲得令人滿意的結(jié)果，因此氮化硅被認(rèn)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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