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2020-10-21
电子电力器件在高速铁路、新能源汽车、航空航天、太阳能及风力发电等领域应用广泛。近年来，电子电力器件朝大功率、高密度、集成化等方向发展，对器件中陶瓷散热基板提出更高要求。目前，常用的氧化铝基板热导率低、氮化铝基板可靠性差，限制其在高端功率半导体器件中的应用。氮化硅陶瓷基板具有高强度、高韧性、高绝缘、高热导率、高可靠性及与芯片匹配的热膨胀系数等优点，是一种具有综合性能的基板材料，应用前景广阔。
中国科学院上海硅酸盐研究所研究员曾宇平团队对高性能氮化硅陶瓷材料开展研究。针对α-Si3N4原料粉体表面氧含量高，提出碳热还原、硅热还原、金属热还原等方法消耗或转化表面氧；开发出金属氢化物、硅化物、硼化物等新型非氧化物助剂以替代传统氧化物烧结助剂；利用“溶解-析出”机制，通过调节液相组分，实现对氮化硅陶瓷显微结构、晶界相组成、晶格氧含量的调控。研究发现，表面氧的移除及非氧化物助剂的使用有利于形成“缺氧-富氮”液相。液相中高N/O比有利于α→β相变和晶粒生长；低SiO2活度阻碍晶格氧的形成，从而实现热学-力学性能的同步改善。制备出的氮化硅陶瓷，其热导率经第三方检测最优可达136.9 W/（m·K）。该研究为高导热氮化硅陶瓷液相烧结过程中晶界相、晶格氧调控提供设计思路。
上海硅酸盐所2016级直博生王为得为论文第一作者，研究工作得到国家重点研发计划、中科院科技服务网络计划（STS计划）、中科院重点部署和上海市科学技术委员会科研计划项目等的资助。
通过液相组分的调控，实现陶瓷性能的调控机理示意图
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