二、Si₃N₄陶瓷基片

图1 Si₃N₄ 晶体结构Si₃N₄具有3种晶体结构形态的物相，分别是α相、β相和γ相。其中α相和β相是Si₃N₄最常见的形态（图1），均为六方结构，可在常压下制备。Si₃N₄陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小、与用油润滑的金属表面相似等诸多优异性能，是综合性能最好的结构陶瓷材料。单晶Si₃N₄的理论热导率最高可达400W·m^-1·K^-1，具有成为高导热基片的潜力。此外Si₃N₄的热膨胀系数3.0×10^-6 K^-1左右，与Si、SiC 和 GaAs 等材料匹配良好，这使Si₃N₄陶瓷将成为一种极具有吸引力的高强高导热电子器件基板材料。 

与其他陶瓷材料相比，Si₃N₄陶瓷材料具有明显优势，尤其是在高温条件下氮化硅陶瓷材料表现出的耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。表1给出了Si₃N₄、AlN和Al₂O₃三种陶瓷基板材料的性能对比，可看出Si₃N₄陶瓷的抗弯强度、断裂韧性都可达到AlN的2倍以上。特别是在材料可靠性上，Si₃N₄陶瓷具有其他二者无法比拟的优势。表1 Si₃N₄、AlN和Al₂O₃三种陶瓷基板材料的性能比较

注：*可靠性测试指在-40～+150℃条件下循环，材料不发生破坏的次数

Si₃N₄陶瓷为强共价键结构，热的传递机制为声子传热。Si₃N₄陶瓷烧结体复杂的结构，对声子的散射较大，使常用Si₃N₄陶瓷结构件产品热导率偏低。然而通过配方设计和烧结工艺优化等方法，目前高导热Si₃N₄陶瓷，在不损失力学性能的前提下，热导率可达80～100 W·m^-1·K^-1。从热导率的角度，似乎Si₃N₄陶瓷与AlN还存在差距。但是陶瓷基片在半导体封装中是以陶瓷覆铜（Cu）板的形式使用的，Si₃N₄陶瓷基板优异的力学性能，使其可以涂覆更厚的金属Cu。如图2所示，厚度为0.635mm的AlN陶瓷基板单边只能涂覆0.3mm左右厚的Cu，Cu层更厚会导致基板开裂，而厚度为0.32mm的Si₃N₄陶瓷基板单边覆Cu厚度可达0.5mm以上。这两种陶瓷覆Cu板的热阻都为0.5℃/Ｗ，如表1所示。即二者在使用时的散热性是等效的。

图2 Si₃N₄和AlN陶瓷覆Cu板热阻比较
此外，Si₃N₄陶瓷覆Cu板还具有更高的安培容量，

如图3所示。

可见Si₃N₄陶瓷是综合了散热性能、可靠性和电性能最佳的半导体绝缘基片材料，未来应用前景十分广阔。图3不同材料覆Cu板性能比较及发展趋势

三、Si₃N₄陶瓷基片的应用Si₃N₄陶瓷基片材料在未来的广阔的市场前景，引起了国际陶瓷企业的高度重视。而目前全球真正将Si₃N₄陶瓷基片用于实际生产电子器件的只有东芝、京瓷和罗杰斯等少数公司。商用Si₃N₄陶瓷基片的热导率一般在56～90 W·m^-1·K^-1。以日本东芝公司为例，截2016年已占领了全球70%的氮化硅基片市场份额，据报道其Si₃N₄陶瓷基片产品已用于混合动力汽车/纯电动汽车（HEV/EV）市场领域。最近也有报道日立金属株式会社开发了能安装在电动汽车、混合电动汽车、铁路车辆、工业机器的高导热氮化硅电路板，使用该产品能使功率模块的冷却装置小型化且更加廉价，该公司预计于2019年将氮化硅电路板进行量产。图4为Si₃N₄陶瓷基片替代AlN陶瓷基片在电动汽车中的应用案例。

图4 Si₃N₄陶瓷基片在电动汽车中的应用

图5高导热Si₃N₄陶瓷基片及其覆Cu板产品
目前，全球半导体器件技术都朝着更高的电压、更大的电流，和更大的功率密度方向发展。这种趋势推动着宽禁带半导体如：SiC和氮化镓（GaN）在不久的将来迅速的替代Si。高的功率和使用环境的复杂力学性，对封装材料的服役可靠性提出了极严苛的要求。如前文分析Si₃N₄陶瓷基片（图5）是集高热导率、高可靠性于一身的综合性能最佳的基片材料， Si₃N₄陶瓷基片必将是未来半导体器件陶瓷基片的发展趋势，并为第三代半导体的发展提供坚实的材料基础。

四、Si₃N₄陶瓷基片对原料粉体的要求对Si₃N₄陶瓷基片导热性能影响的关键因素是Si₃N₄中晶格氧含量。Si₃N₄的两种晶型的粉体都可作为陶瓷基片的原料，但是无论选择a相还是β相原料，都要求具有较高的纯度，因为不纯的原料会引入较高含量的杂质，而杂质的存在会引起声子的散射，从而降低陶瓷的热导率。