中國粉體網(wǎng)訊 小型化，輕薄化的設(shè)計是當(dāng)前電子產(chǎn)品的主流，這對產(chǎn)品的熱設(shè)計帶來了巨大考驗。電子元器件溫度每升高2°C，可靠性下降10%；溫升50°C的壽命只有溫升25°C時的1/6，因此散熱是決定電子產(chǎn)品性能穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵因素。
目前，關(guān)于高導(dǎo)熱材料的研究較多，Slack G A歸納了高熱導(dǎo)率材料應(yīng)具備的4個條件：①原子質(zhì)量�。虎阪I合強(qiáng)度高；③晶體結(jié)構(gòu)簡單；④晶格非簡諧振動小。
高導(dǎo)熱材料種類繁多，可以歸結(jié)為三大類：聚合物、金屬和陶瓷。高導(dǎo)熱陶瓷材料一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物為主。
幾種高導(dǎo)熱陶瓷材料性能(來源：楊春萍.高強(qiáng)韌Si3N4導(dǎo)熱陶瓷制備及其組織性能調(diào)控)
PCD陶瓷
迄今為止，金剛石是已知材料中熱導(dǎo)率最高的，其單晶體在常溫下熱導(dǎo)率理論值為1642W/(m·k)，實測值為2000W/(m·k)，并且其熱膨脹系數(shù)很低，具有良好的電絕緣性，非常符合電子封裝材料的應(yīng)用要求。
但金剛石大單晶難以制備，且價格昂貴。聚晶金剛石燒結(jié)過程中往往需要加入助燒劑以促進(jìn)金剛石粉體之間的粘結(jié)，從而得到高導(dǎo)熱PCD陶瓷。但在高溫?zé)Y(jié)過程中，助燒劑會催化金剛石粉碳化，使聚晶金剛石不再絕緣。金剛石小單晶常被作為提高陶瓷熱導(dǎo)率的增強(qiáng)材料添加到導(dǎo)熱陶瓷中，以起到提高陶瓷導(dǎo)熱率的作用。
Si3N4陶瓷
傳統(tǒng)觀點(diǎn)曾經(jīng)認(rèn)為Si3N4導(dǎo)熱率很低，直至1995年Haggerty根據(jù)經(jīng)典固體傳輸理論計算得到Si3N4晶體理論熱導(dǎo)率可以高達(dá)320 W/(m·k)。其后Hirosaki等通過分子動力學(xué)的方法計算出α-Si3N4和β-Si3N4的理論熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)Si3N4的熱導(dǎo)率沿a軸和c軸具有取向性，其中α-Si3N4單晶體沿a軸和c軸的理論熱導(dǎo)率分別為105W /( m·K) 、225 W /( m·K) ; β-Si3N4單晶體沿a軸和c軸方向的理論熱導(dǎo)率分別是170 W /( m·K) 、450 W /( m·K)，從而開啟了Si3N4作為高導(dǎo)熱基片的研究和應(yīng)用熱潮。
目前商用Si3N4基片熱導(dǎo)率一般在60～90 W /( m·K)，抗彎強(qiáng)度600～700 MPa。隨著混合電動力汽車和純電動汽車的發(fā)展，Si3N4陶瓷基片以其優(yōu)異的綜合性能，年需求量呈逐年上升趨勢。另外，Si3N4基片熱膨脹系數(shù)小，無論是目前的Si基半導(dǎo)體材料，還是第三代半導(dǎo)體材料SiC、GaNs等，Si3N4基片均與之具有良好的匹配性。但是高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷對原料要求較高，制備工藝復(fù)雜，制備成本較高。
SiC陶瓷
20世紀(jì)80年代，日本日立技術(shù)發(fā)展中心研制出一種高絕緣和低膨脹性能，熱導(dǎo)率高達(dá)270 W /( m·K)的SiC陶瓷基片，代號為β-SC-101，膨脹系數(shù)3.7×10-6/℃，與Si的膨脹系數(shù)較為匹配。
盡管SiC陶瓷具有較高的熱導(dǎo)率，但由于其表面能與界面能的比值低，即晶界能較高，因而很難通過常規(guī)方法燒結(jié)出高純致密的SiC陶瓷。采用常規(guī)的燒結(jié)方法時，必須添加助燒劑且燒結(jié)溫度必須達(dá)到2050℃以上，但這種燒結(jié)條件又會引起SiC晶粒長大，大幅降低SiC陶瓷的力學(xué)性能。
Al2O3陶瓷
Al2O3陶瓷基板的主要成分是α-Al2O3，根據(jù)Al2O3含量不同可分為75瓷、85瓷、95瓷和99瓷等不同牌號。Al2O3陶瓷具有介電損耗低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
Al2O3陶瓷是目前應(yīng)用技術(shù)最成熟、應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的陶瓷基板材料，但其室溫?zé)釋?dǎo)率偏低，限制了在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。例如99瓷Al2O3熱導(dǎo)率僅為29W /( m·K)。而且Al2O3熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片材料差異較大，在服役過程中容易積累熱應(yīng)力，導(dǎo)致芯片的失效概率增加，使用壽命降低。這些難以克服的缺點(diǎn)致使Al2O3陶瓷基板很難應(yīng)用在大功率半導(dǎo)體器件中。
AlN陶瓷
20世紀(jì)80年代初期，日本是最早開展AlN陶瓷基板研發(fā)工作的國家。1983 年研制出熱導(dǎo)率為95W /( m·K)的透明AlN陶瓷和260W /( m·K)的AlN陶瓷基板，1985年東芝、日本電氣和日立等主要電子公司已廣泛應(yīng)用。
AlN單晶的理論熱導(dǎo)率可以達(dá)到320W /( m·K)，但是由于燒結(jié)過程中不可避免的雜質(zhì)摻入和缺陷，這些雜質(zhì)在AlN晶格中產(chǎn)生各種缺陷使聲子的平均自由度減小，從而大幅降低其熱導(dǎo)率。此外，晶粒尺寸、形貌和晶界第二相的含量及分布對AlN陶瓷熱導(dǎo)率也有著重要影響。晶粒尺寸越大，聲子平均自由度越大，燒結(jié)出的AlN陶瓷熱導(dǎo)率就越高，但根據(jù)燒結(jié)理論，晶粒越大，聚晶體陶瓷越難燒結(jié)。
由于AlN是一種典型的共價合物，具有很高的熔點(diǎn)，在燒結(jié)的過程中原子的自擴(kuò)散系數(shù)小、晶界能較高，通常很難采用常規(guī)的燒結(jié)方法燒結(jié)出高純的AlN陶瓷，必須添加助燒劑來促進(jìn)燒結(jié)。此外所添加的適當(dāng)?shù)闹鸁齽┻�可以與晶格中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成第二相，凈化AlN晶格，提高熱導(dǎo)率。
常見的AlN陶瓷助燒劑有：Y2O3、CaCO3、CaF2、YF3等。添加助燒劑燒結(jié)高導(dǎo)熱AlN陶瓷的方法目前已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，但是由于AlN陶瓷燒結(jié)時間長、燒結(jié)溫度高、高品質(zhì)AlN粉價格貴等原因，導(dǎo)致AlN陶瓷制作成本高， 此外AlN還有易吸潮、易氧化等缺點(diǎn)。
BeO陶瓷
早在20世紀(jì)60年代，美國和日本等國家已研制成功多層BeO陶瓷基板材料。1971年Slack和Austerman測試出BeO陶瓷和BeO大單晶的熱導(dǎo)率，并且計算出BeO大單晶的熱導(dǎo)率最高可達(dá)到370W /( m·K)。目前制備出的BeO陶瓷的熱導(dǎo)率可達(dá)到280W /( m·K)，是Al2O3陶瓷的10倍。
但BeO粉體有劇毒，若被人體吸入會導(dǎo)致急性肺炎，長期吸入對人的健康產(chǎn)生極其嚴(yán)重的危害，因此BeO陶瓷已經(jīng)被逐步停止使用。
BN陶瓷
1842年，BN在貝爾曼的實驗室首次被發(fā)現(xiàn)，第二次世界大戰(zhàn)后國外對BN材料進(jìn)行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法后才發(fā)展起來的。BN有5種異構(gòu)體，分別是六方氮化硼（h-BN）、纖鋅礦氮化硼（w-BN）、三方氮化硼（r-BN）、立方氮化硼（c-BN）和斜方氮化硼（o-BN）。
h-BN是一種典型的III-V族化合物，其晶體結(jié)構(gòu)與石墨極為相似，俗稱“白石墨”，是導(dǎo)熱性能最好的陶瓷材料之一，其面內(nèi)( 001面)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到180～200 W /( m·K)。同時，h-BN具有5.9eV的高能隙，使其表現(xiàn)出優(yōu)異的絕緣性能，包括低相對介電常數(shù)、低介電損耗和高體積電阻率。另外，h-BN熱膨脹系數(shù)極低，能夠在高溫環(huán)境下維持形狀不發(fā)生變化，是一種理想的導(dǎo)熱材料。
c-BN與金剛石、SiC和GaN一起被稱為繼Si、Ge及GaAs之后的第三代半導(dǎo)體材料。它們的共同特點(diǎn)是帶隙寬，適用于制作在極端條件下使用的電子器件。與SiC和GaN相比，c-BN與金剛石有著更為優(yōu)異的性質(zhì)，如更寬的帶隙、更高的遷移率、更高的擊穿電場、更低的介電常數(shù)和更高的熱導(dǎo)率。
參考來源：
董沅昌.高導(dǎo)熱材料的研究進(jìn)展
江期鳴等.高導(dǎo)熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與前景分析
李貴佳.借鑒日本專利技術(shù)，促進(jìn)國內(nèi)高導(dǎo)熱氮化硅基片產(chǎn)業(yè)化
楊春萍.高強(qiáng)韌Si3N4導(dǎo)熱陶瓷制備及其組織性能調(diào)控
廖圣俊等.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板研究現(xiàn)狀
王秀等.導(dǎo)熱氮化硼復(fù)合絕緣紙的制備與性能研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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