高性能Si3N4 陶瓷基板制備工藝與性能研究進展＊

王 琳，解帥福，路萌萌，趙 嫄，周正源，付 華

（1.石家莊鐵道大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學管理學院，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學信息科學與技術學院，河北 石家莊 050043）

隨著電子電力行業的發展，半導體器件在高電壓和高電流作用下產生的高熱應力要求基板具有更高的散熱能力。基板材料一般包括環氧樹脂基板、金屬材料基板和陶瓷基板3 類[1]。環氧樹脂基板成本低，易于設計制造；鋁和銅金屬基板導熱率是環氧樹脂基板的10 倍以上，主要應用于大功率電子器件；陶瓷基板在力學性能方面具有超高抗彎強度和斷裂韌性，在物理性能方面具有超高導熱效率、低熱膨脹系數、低介電常數和高抗電穿透能力，在工藝性能方面具有良好的軟釬焊性能。陶瓷基板主要包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4）這4種材料，其力學和物理性能如表1 所示。其中，氮化硅（Si3N4）陶瓷具有高強度和高熱導率，是綜合性能優異的散熱基板材料[1-2]。

表1 陶瓷基板力學和物理性能

1 氮化硅結構

Si3N4是由Si-N 單鍵所組成的截角四面體共價鍵物質，具有α、β和γ相3 種結晶形式[3-5]，如圖1 所示。主要以α和β這2 種六方布拉菲點陣存在，可在常壓下制取。γ相只在高壓和高溫下制備，硬度最高可能達35 GPa。

圖1 Si3N4 的α、β和γ相3 種晶體結構

2 氮化硅原料

Si3N4初始原料粉體包括Si 粉和Si3N4粉2 類。原料粉中的雜質O 晶格缺陷會增強聲子散射，雜質Al置換Si 固溶于晶格中，形成SiAlON 相，兩者都使熱導率降低。Fe 作為催化劑，可促進Si 和N 的擴散，生成SiO2表面氧化膜和FeSi2液相，加速β-Si3N4晶粒長大。但Fe 質量分數過高時（大于5%）會產生氣孔等問題而降低強度和導熱性能。

3 氮化硅的燒結助劑

Si3N4屬于高強共價鍵材料，固相擴散速度很低，很難完全燒結，致密度不高，一般需加入少量的燒結助劑，生成較低熔點的共晶相，通過液相燒結，獲得較高的致密度。要求燒結助劑活性好、添加量少，形成的晶界相黏度低、熱導率高，減少O 元素的引入。

燒結助劑有氧化物和非氧化物類2 種，其中金屬氧化物、稀土氧化物及其復合燒結助劑系統應用效果較好。目前使用較多的燒結助劑是Y2O3-MgO，熱導率高達177 W/（m·K），斷裂韌性為11.2 MPa·m1/2，如圖2 所示[1]。陶瓷基板的制備工藝流程如圖3 所示。

圖2 Si3N4 的斷裂形貌及斷口形貌（裂紋從左至右擴展）

圖3 陶瓷基板的制備工藝流程

非氧化物燒結助劑不含O，能凈化Si3N4晶體，降低晶界玻璃相，并改善導熱能力以及高溫力學性能。但原料難得、成本較高、燒結難度大。常用的有MgSiN2、YF3、ZrSi2、稀土金屬氫化物（REH2）及其復合助劑等，可使熱導率提升15%以上。用Yb2O3-MgSiN2作陶瓷燒結助劑，制備的Si3N4陶瓷熱導率超過140 W/（m·K）。

以ZrSi2為燒結助劑[6]，原位生成ZrO2和棒狀β-Si3N4顆粒作為晶種，促進大尺寸β-Si3N4晶粒生長。在Si3N4晶粒間析出ZrN 相，可減少聲子在晶界處的散射。以ZrSi2-MgO 為助劑，1 900 ℃保溫12 h，Si3N4熱導率為113.91 W/（m·K），以ZrSi2-MgSiN2二元非氧化物為助劑時熱導率為117.32 W/（m·K）；以YH2-MgO 為助劑，1 900 ℃保溫12 h 燒結后，Si3N4的斷裂韌性超過9 MPa·m1/2，抗彎強度超過690 MPa，熱導率超過120 W/（m·K）；以YbH2、YH2、GdH2為燒結助劑，1 900 ℃下經過24 h 燒結后的Si3N4陶瓷熱導率超過130 W/（m·K）[6]。

4 陶瓷基板結構與工藝

Si3N4基板的主要成型方式有澆注和注射成型、軋膜、流延、磁場技術與陶瓷成型方法相結合等，流延成型是大批量工程制備常用的工藝。流延法生產的Si3N4晶粒具有各向異性，同時輔助強磁場作用，使陶瓷晶粒定向生長，在水平流延成型方向的熱導率大于150 W/（m·K），在垂直流延方向上的熱導率只有50 W/（m·K）[1]。

燒結方式一般有反應燒結重燒結（SRBSN）、熱壓燒結（HPS）、熱等靜壓燒結（HIP）和氣壓壓力燒結（GPS）。反應燒結法是將Si 粉（小于80 μm）等靜壓成型并干燥后，在氮氣中高溫燒結反應氮化。增加晶種和增加燒結工藝溫度都可以使晶態轉化，而外加強磁場也能促使顆粒定向生長，從而提高熱導率。

陶瓷基板依照構造原理，常用的制造工藝有低溫共燒陶瓷基板（LTCC）和高溫共燒多層陶瓷基板（HTCC），其工藝流程分別如圖4 所示。

圖4 HTCC 和LTCC 典型工藝流程

不同工藝制備的陶瓷基板結合強度差別較大，表2為幾種不同工藝下平面陶瓷基板的性能比較，高溫下基片界面以化學鍵鍵合，界面強度高于低溫下的物理鍵和范德華鍵合。

表2 平面陶瓷基板工藝與性能比較

LTCC 可以實現3D 設計的微波傳輸線路、邏輯控制線和電源電路，具有傳熱系數K值低，一般為4～8 W/（m2·K）和介質損耗tanδ（介質損失角正切值）低，一般小于等于0.002 的特點，采用Au、Ag 導體熱損耗較小，可進行多層設計，保密性強，一般是多芯片多層陶瓷組件（Multichip Multilayer Ceramic Module，MMCM）和系統封裝的理想成型工藝。LTCC技術廣泛應用于高速數字電路的微波和毫米波段的小型微波多芯片組件（Multi-Chip Module，MCM）系統，用于X 波段（10 GHz）相控陣T/R 尤其是毫米波封裝和收/發（Receiver/Transmitter）。LTCC 技術藍牙組件可集成60 多種元器件，18 層，尺寸小到3 mm×6.5 mm×1.7 mm，小孔直徑為120μm。表3 為通過干壓成型、常壓和氣壓低溫共燒工序生產的Si3N4平板全壓接陶瓷結構件的性能指標，主要適用于柔性高壓直流輸電設備和城市軌道交通控制器件等應用領域。

表3 氮化硅平板全壓接陶瓷結構件性能指標

5 結論

伴隨電子晶片向高性能、安全、高集成自動化程度走向的發展，電器元件的總發熱量和相對比熱量流量也愈來愈高，通過控制原料粉體、燒結助劑和成型工序等，生產熱導率超過350 W/（m·K）而且熱膨脹系數與基材相近的超高導熱材料，包括具備極高的導熱性和高強度的碳纖維、碳納米管、石墨烯等碳材料，是未來性能極佳的半導體基板封裝材料。