高导热氮化硅基板在功率半导体中的应用研究

作者及机构
本研究的核心作者包括Dai Kusano、Gen Tanabe、Yoshiyuki Uchida（均来自Japan Fine Ceramics Co. Ltd.）以及Hideki Hyuga、You Zhou、Kiyoshi Hirao（来自日本国立产业技术综合研究所AIST）。研究成果发表于2016年5月的PCIM Europe国际会议，会议论文收录于VDE Verlag GmbH出版的会议论文集（ISBN 978-3-8007-4186-1）。

学术背景
随着混合动力汽车、太阳能发电等领域对IGBT（绝缘栅双极型晶体管）功率模块需求的激增，散热问题成为制约模块可靠性的关键。传统绝缘基板材料如Al₂O₃（氧化铝）、AlN（氮化铝）虽各有优势，但AlN机械强度不足，而常规烧结氮化硅（Si₃N₄）导热率仅约90 W/(m·K)，难以满足高功率密度需求。本研究旨在通过新型反应结合烧结工艺（SRBSN, Sintered Reaction-Bonded Silicon Nitride）开发兼具高导热（目标>120 W/(m·K)）与高机械强度的氮化硅基板。

研究流程与方法
1. 材料设计与制备
- 原料选择：采用高纯度硅粉（替代传统Si₃N₄粉体）掺杂Y₂O₃-MgO添加剂，通过反应结合工艺生成Si₃N₄。
- 工艺创新：开发SRBSN五步法流程：（1）球磨混料（控制氧含量）；（2）流延成型（Doctor Blade法）；（3）脱脂；（4）氮化反应（精确控温防硅熔融）；（5）后烧结。关键突破在于通过硅粉直接氮化减少晶格氧缺陷，提升导热率。

1. 杂质影响研究

   • 铝（Al）杂质：添加AlN模拟工业硅粉中的Al污染。实验表明，Al含量>0.1%时会形成SiAlON相（反应式：Al₂O₃ + Si₃N₄ → Si₆-zAl₂O₂N₈-z），导致声子散射，导热率显著下降（图4）。
     
   • 铁（Fe）杂质：添加Fe粉后，XRD检测到FeSi₂相（图5），其氧化产物增加氧含量，使导热率从177 W/(m·K)骤降至<60 W/(m·K)（图6）。
     

2. 工艺优化

   • 氧含量控制：球磨时间与氧含量呈正相关（表4），需优化研磨参数以减少表面氧化。
     
   • 量产适配性：开发自动化流延系统，制备无缺陷生坯（图8），并通过氮化-烧结联动工艺实现基板批量化生产（图7）。

主要结果
1. 导热性能突破：SRBSN工艺制备的Si₃N₄导热率达177 W/(m·K）（文献5），为已知最高值；工业化试制品稳定在90–120 W/(m·K)（表5），优于传统烧结材料。
2. 机械性能保留：三点弯曲强度>800 MPa，断裂韧性>7 MPa·m¹/²，满足功率模块的机械可靠性需求。
3. 杂质阈值确定：Al和Fe杂质需分别控制在<0.1%（质量分数），否则会通过晶格畸变或第二相生成降低导热率。

结论与价值
1. 科学意义：揭示了晶格氧和金属杂质对Si₃N₄导热率的微观影响机制，为高导热陶瓷设计提供理论依据。
2. 应用价值：SRBSN工艺兼容工业级硅粉，可量产高性价比基板，推动电动汽车、可再生能源等领域功率模块的散热技术升级。

研究亮点
1. 方法创新：首次将反应结合与后烧结工艺结合，突破传统Si₃N₄导热率瓶颈。
2. 跨学科贡献：融合材料缺陷工程与工艺工程，解决功率电子器件的热管理难题。
3. 产业化前景：工艺设计兼顾性能与成本，已具备规模化生产条件（图10）。

其他发现
- 氮化反应放热控制是关键工艺难点，不当的热处理会导致基板开裂（图9）。
- 本研究获日本“下一代功率电子器件国家计划”（SIP-NEDO）支持，凸显其战略重要性。

（注：全文术语规范示例：Si₃N₄首次译为“氮化硅（Si₃N₄）”，后简称“氮化硅”；SRBSN首次译为“反应结合烧结氮化硅（SRBSN）”，后简称“SRBSN工艺”。）