氮化硅陶瓷热导率关键影响因素——烧结助剂

氮化硅陶瓷热导率关键影响因素——烧结助剂

氮化硅（Si3N4）陶瓷因其高强度、高硬度、优异的抗热震性能和耐腐蚀性而备受关注。然而，实际应用中氮化硅陶瓷的热导率往往远低于理论值。本文深入探讨了烧结助剂对氮化硅陶瓷热导率的关键影响，分析了不同种类烧结助剂的作用机理及其对材料性能的影响，为制备高性能氮化硅陶瓷提供了重要参考。

氮化硅（Si3N4）具有强度高、硬度大、抗热震性能好、耐磨损、耐腐蚀等优异特性，被认为是综合性能最好的陶瓷材料。目前市场中高导热氮化硅陶瓷热导率一般在80～90W/(m·k)，其抗弯强度和断裂韧性是AlN的两倍，且具有优异的抗热震稳定性，氮化硅陶瓷基板的使用可大幅提高电子器件的工作可靠性，在大功率IGBT和第三代半导体（SiC/GaN）功率器件封装中有很大的市场应用潜力。

图 氮化硅基板，来源：MARUWA

许多研究已经证明氮化硅的理论热导率非常高，但实际中多晶氮化硅陶瓷的热导率明显低于理论单晶热导率。在研究影响氮化硅陶瓷导热性能中发现，烧结助剂对制备高导热氮化硅陶瓷具有非常重要的作用。

烧结助剂的作用机理

氮化硅是以共价键结合为主的化合物，其Si–N共价键含量高达70%。由于键合强大，原子扩散系数小，纯氮化硅很难烧结致密，因此在烧结过程中必须添加烧结助剂来促进氮化硅烧结反应的进行。烧结助剂能在较低温度下产生液相，大大促进颗粒重排和传质过程。

图 液相烧结组织形貌变化示意图

由于氮化硅本身自扩散系数小，难以烧结致密，烧结助剂的加入可以与氮化硅颗粒表面的二氧化硅以及氮化硅本身形成低温液相，液相的存在可以促使原子扩散，有利于氮化硅颗粒重排、溶解和析出，加速α-Si3N4向β-Si3N4转变，降低氮化硅陶瓷致密化温度。

图 氮化硅陶瓷液相烧结示意图

烧结助剂对陶瓷致密化、晶相转变、微观组织和总氧含量起着关键作用，同时晶粒通过“溶解–沉淀”机制长大，烧结助剂也起到净化氮化硅晶格的作用，因此选择合适的烧结助剂非常重要。

高导热氮化硅陶瓷用烧结助剂的种类

1.稀土氧化物烧结助剂

稀土氧化物阳离子普遍为+3价，同时具有较强的阳离子场强（z/r2），非常适合作为氮化硅陶瓷烧结助剂。稀土氧化物烧结助剂种类不同对氮化硅陶瓷热导影响较大。单一稀土氧化物烧结助剂稀土离子半径越小，氮化硅陶瓷热导率越高。Y2O3和Yb2O3是目前最常用的两种稀土氧化物烧结助剂。Y2O3–MgO复合烧结助剂是制备高导热氮化硅陶瓷比较理想的烧结助剂体系，且选择适当含量的烧结助剂有利于提高氮化硅陶瓷热导率。

2.非氧化物烧结助剂

杂质氧是影响氮化硅陶瓷导热性能的关键因素。氮化硅陶瓷中的氧主要是由粉体中的氧、烧结气氛中杂质氧和烧结助剂中的氧组成。为降低陶瓷中的氧含量，获得更高的热导率，一些学者针对非氧化物烧结助剂做了一系列研究，如MgSiN2、稀土金属氢化物（ReH2）、硼化物（LaB6）等。

选择合适的烧结助剂是获得高导热氮化硅陶瓷的关键，其通过提高氮化硅材料的烧结活性，优化显微结构，改变晶界相组成以及含量，进而提高氮化硅陶瓷的导热性能。

资料：
1.高导热氮化硅陶瓷用烧结助剂的研究进展，王月隆, 等.
2.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，王伟明，等.