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那么强但又那么难的氮化硅基板
2019年09月12日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:324
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氮化硅陶瓷具有优异的力学性能,用作结构材料得到了普遍关注。而一般氮化硅陶瓷的抗弯强度可超过1000MPa,然而其热导率与氧化铝陶瓷相近只20-30W/m•K,远远低于高热导率氮化铝陶瓷(180-260W/m•K),加上其价格远高于氧化铝陶瓷,因此未能作为导热材料得到普遍应用。

↑↑↑TOSHIBA高导热氮化硅基板

九十年代中期Haggerty通过理论推导得出氮化硅的本征热导率高达320W/m•K,与氮化铝的本征热导率(320W/m•K)相同。后来在2002年又有学者计算表明氮化硅的β-Si3N4a轴和c轴的理论热导率分别为170和450W/m•K,这为研制高热导率氮化硅陶瓷提供了理论依据。

然而理论计算终归理论计算,氮化硅要做成理论值是不太可能的,受限于陶瓷原料粉体的纯度,烧结助剂,残留气孔,烧结工艺控制控制等元素,当前商业上可获得的氮化硅衬底的热导率仅仅约在80-100W/mK之间,以TOSHIBA氮化硅基板为例,其在室温下的热导率约为90W/m•K。除TOSHIBA以外,Rogerscorp,Kyocera,Maruwa,Coorstek,Denka等也有商业化的氮化硅基板产品。

商业化的氮化铝基板及氮化硅基板与其他材料的热传导率见上图左示例。对应材料的热膨胀系数见上图右。其中TAN-250,TAN230,TAN200是TOSHIBA三个不同牌号氮化铝的产品,TSN-90是TOSHIBA氮化硅基板的参数。

从表面上看,仅具有90W/m•K热导率的氮化硅衬底与具有170W/m•K热导率的氮化铝衬底相比,其散热能力有点逊爆了。但是,由于氮化硅基板的机械强度是氮化铝基板的两倍以上(可以在满足使用条件的情况下做的更薄),因此较薄的氮化硅基板(厚度为0.32mm)的热阻几乎等于较厚的氮化铝基板的热阻,即0.635mm。另外,氮化硅的较高弯曲强度使基板的最大偏转增加到其他陶瓷基板的1.5倍以上,这意味着它们具有高的抗压缩和抗冲击性,在多次循环使用下依然性能稳定,可以轻松抵御极为恶劣的工作环境。

优秀如它,制备却极难!

氮化硅基板的最大的卖点在于“机械强度大及导热能力优秀同步了”。一般来说粗大β-Si3N4柱状晶本身具有较高的热导率但晶粒不慎异常长大的也会让其综合力学强度下降,使得氮化硅陶瓷热导率升高的原因也会来不良影响,也这意味着热导率和力学性能往往不可兼得。这是造成高热导率氮化硅陶瓷的应用研究徘徊不前的主要原因。因此,在寻求高导热氮化硅基板的制备的同时还需要权衡其力学性能是否能同步保持。

在早期的研究中,往往是采用高温、高压、长时间加热工艺来实现氮化硅陶瓷基板的高导热能力,但高温长时间进行加热处理会造成陶瓷晶粒异常长大、导致机械性能下降,其实际应用受到限制。

举个例子:研究人员在原料中添加β-Si3N4种晶、并使之定向排列,经1800℃热压烧结后在2500℃热等静压处理2小时在与β-Si3N4种晶平行的方向获得了目前最高的热导率155W/mK

因此后期的研究大都转向通过控制氮化硅晶粒中的氧含量和杂质含量控制氮化硅原料粉体颗粒分布在氮化硅粉末中添加β-Si3N4晶种优化烧结助剂成分使陶瓷晶界相再结晶等方法来提高氮化硅陶瓷的热导率。其中优化烧结助剂一方面可以减少β-Si3N4晶粒中诸如空位、间隙原子、位错、取代原子等晶格缺陷,减少声子传播障碍;另一方面可以使晶界相结晶化或者减小晶界厚度,从而减小晶界热阻,被证明是提高氮化硅陶瓷热导率的简单易行的方法。参考文献2有优化烧结助剂的方案,此处不再展开,有兴趣的可以自己研究研究。

参考来源:

1.HighThermalConductivitySiliconNitrideSubstratesMayHelpAccelerateDevelopmentofCompact,High-PowerPowerPontrolUnits;TOSHIBA。

2.高热导率氮化硅陶瓷材料及其制备方法,专利号CN101100388B。

粉体圈 作者:小白


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