高性能Si3N4 陶瓷基板制备工艺与性能研究进展＊

王 琳，解帅福，路萌萌，赵 嫄，周正源，付 华

（1.石家庄铁道大学材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学管理学院，河北 石家庄 050043；3.石家庄铁道大学信息科学与技术学院，河北 石家庄 050043）

随着电子电力行业的发展，半导体器件在高电压和高电流作用下产生的高热应力要求基板具有更高的散热能力。基板材料一般包括环氧树脂基板、金属材料基板和陶瓷基板3 类[1]。环氧树脂基板成本低，易于设计制造；铝和铜金属基板导热率是环氧树脂基板的10 倍以上，主要应用于大功率电子器件；陶瓷基板在力学性能方面具有超高抗弯强度和断裂韧性，在物理性能方面具有超高导热效率、低热膨胀系数、低介电常数和高抗电穿透能力，在工艺性能方面具有良好的软钎焊性能。陶瓷基板主要包括氧化铍（BeO）、氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4）这4种材料，其力学和物理性能如表1 所示。其中，氮化硅（Si3N4）陶瓷具有高强度和高热导率，是综合性能优异的散热基板材料[1-2]。

表1 陶瓷基板力学和物理性能

1 氮化硅结构

Si3N4是由Si-N 单键所组成的截角四面体共价键物质，具有α、β和γ相3 种结晶形式[3-5]，如图1 所示。主要以α和β这2 种六方布拉菲点阵存在，可在常压下制取。γ相只在高压和高温下制备，硬度最高可能达35 GPa。

图1 Si3N4 的α、β和γ相3 种晶体结构

2 氮化硅原料

Si3N4初始原料粉体包括Si 粉和Si3N4粉2 类。原料粉中的杂质O 晶格缺陷会增强声子散射，杂质Al置换Si 固溶于晶格中，形成SiAlON 相，两者都使热导率降低。Fe 作为催化剂，可促进Si 和N 的扩散，生成SiO2表面氧化膜和FeSi2液相，加速β-Si3N4晶粒长大。但Fe 质量分数过高时（大于5%）会产生气孔等问题而降低强度和导热性能。

3 氮化硅的烧结助剂

Si3N4属于高强共价键材料，固相扩散速度很低，很难完全烧结，致密度不高，一般需加入少量的烧结助剂，生成较低熔点的共晶相，通过液相烧结，获得较高的致密度。要求烧结助剂活性好、添加量少，形成的晶界相黏度低、热导率高，减少O 元素的引入。

烧结助剂有氧化物和非氧化物类2 种，其中金属氧化物、稀土氧化物及其复合烧结助剂系统应用效果较好。目前使用较多的烧结助剂是Y2O3-MgO，热导率高达177 W/（m·K），断裂韧性为11.2 MPa·m1/2，如图2 所示[1]。陶瓷基板的制备工艺流程如图3 所示。

图2 Si3N4 的断裂形貌及断口形貌（裂纹从左至右扩展）

图3 陶瓷基板的制备工艺流程

非氧化物烧结助剂不含O，能净化Si3N4晶体，降低晶界玻璃相，并改善导热能力以及高温力学性能。但原料难得、成本较高、烧结难度大。常用的有MgSiN2、YF3、ZrSi2、稀土金属氢化物（REH2）及其复合助剂等，可使热导率提升15%以上。用Yb2O3-MgSiN2作陶瓷烧结助剂，制备的Si3N4陶瓷热导率超过140 W/（m·K）。

以ZrSi2为烧结助剂[6]，原位生成ZrO2和棒状β-Si3N4颗粒作为晶种，促进大尺寸β-Si3N4晶粒生长。在Si3N4晶粒间析出ZrN 相，可减少声子在晶界处的散射。以ZrSi2-MgO 为助剂，1 900 ℃保温12 h，Si3N4热导率为113.91 W/（m·K），以ZrSi2-MgSiN2二元非氧化物为助剂时热导率为117.32 W/（m·K）；以YH2-MgO 为助剂，1 900 ℃保温12 h 烧结后，Si3N4的断裂韧性超过9 MPa·m1/2，抗弯强度超过690 MPa，热导率超过120 W/（m·K）；以YbH2、YH2、GdH2为烧结助剂，1 900 ℃下经过24 h 烧结后的Si3N4陶瓷热导率超过130 W/（m·K）[6]。

4 陶瓷基板结构与工艺

Si3N4基板的主要成型方式有浇注和注射成型、轧膜、流延、磁场技术与陶瓷成型方法相结合等，流延成型是大批量工程制备常用的工艺。流延法生产的Si3N4晶粒具有各向异性，同时辅助强磁场作用，使陶瓷晶粒定向生长，在水平流延成型方向的热导率大于150 W/（m·K），在垂直流延方向上的热导率只有50 W/（m·K）[1]。

烧结方式一般有反应烧结重烧结（SRBSN）、热压烧结（HPS）、热等静压烧结（HIP）和气压压力烧结（GPS）。反应烧结法是将Si 粉（小于80 μm）等静压成型并干燥后，在氮气中高温烧结反应氮化。增加晶种和增加烧结工艺温度都可以使晶态转化，而外加强磁场也能促使颗粒定向生长，从而提高热导率。

陶瓷基板依照构造原理，常用的制造工艺有低温共烧陶瓷基板（LTCC）和高温共烧多层陶瓷基板（HTCC），其工艺流程分别如图4 所示。

图4 HTCC 和LTCC 典型工艺流程

不同工艺制备的陶瓷基板结合强度差别较大，表2为几种不同工艺下平面陶瓷基板的性能比较，高温下基片界面以化学键键合，界面强度高于低温下的物理键和范德华键合。

表2 平面陶瓷基板工艺与性能比较

LTCC 可以实现3D 设计的微波传输线路、逻辑控制线和电源电路，具有传热系数K值低，一般为4～8 W/（m2·K）和介质损耗tanδ（介质损失角正切值）低，一般小于等于0.002 的特点，采用Au、Ag 导体热损耗较小，可进行多层设计，保密性强，一般是多芯片多层陶瓷组件（Multichip Multilayer Ceramic Module，MMCM）和系统封装的理想成型工艺。LTCC技术广泛应用于高速数字电路的微波和毫米波段的小型微波多芯片组件（Multi-Chip Module，MCM）系统，用于X 波段（10 GHz）相控阵T/R 尤其是毫米波封装和收/发（Receiver/Transmitter）。LTCC 技术蓝牙组件可集成60 多种元器件，18 层，尺寸小到3 mm×6.5 mm×1.7 mm，小孔直径为120µm。表3 为通过干压成型、常压和气压低温共烧工序生产的Si3N4平板全压接陶瓷结构件的性能指标，主要适用于柔性高压直流输电设备和城市轨道交通控制器件等应用领域。

表3 氮化硅平板全压接陶瓷结构件性能指标

5 结论

伴随电子晶片向高性能、安全、高集成自动化程度走向的发展，电器元件的总发热量和相对比热量流量也愈来愈高，通过控制原料粉体、烧结助剂和成型工序等，生产热导率超过350 W/（m·K）而且热膨胀系数与基材相近的超高导热材料，包括具备极高的导热性和高强度的碳纤维、碳纳米管、石墨烯等碳材料，是未来性能极佳的半导体基板封装材料。