[发明专利]一种氮化硅导热基板及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮化硅导热基板及其制备方法，涉及半导体器件技术领域，针对解决氮化硅导热基板高导热性能问题，通过新的原料和新制备方法实现氮化硅的高强高导热性能。具体步骤如下：将氮化硅镁、氢化钇、β‑Si₃N₄晶种和α‑Si₃N₄粉体按目标配比加入到球磨罐中，将无水乙醇作为介质，完成球磨混料、烘干、造粒，通过流延气压和热压烧结两种方式制备氮化硅导热基板。本发明的氮化硅导热基板，不仅导热性能达到≥80 W·(m·K)^‑1，抗弯强度达到850MPa，且工艺简单，适用于高导热氮化硅、高致密度氮化硅和高硬度氮化硅等相关氮化硅材料制备和产品生产，可用于制备电动汽车逆变器（IGBT）及电子封装器件。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种氮化硅导热基板及制备方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，电子电力设备正朝着高电压、大电流、大功率和小体积的方向发展。然而基板材料的散热性问题一直是制约电力设备更新换代的技术瓶颈。目前，氮化铝（AlN）因为具备优异的导热性能（200 W·(m·K)^-1），已经作为电子设备的基板材料投入使用。但是AlN的力学性能普遍偏低且易水解，导致基板疲劳寿命偏短，器件成本和损坏率偏高。因此，寻找一种导热性好且力学性能优良的材料是现在主要的研究方向。目前，氮化硅（Si₃N₄）是备受国内外关注的新型高导热陶瓷材料。源于Si₃N₄本身结构的特性，单晶β-Si₃N₄在室温条件下具备良好的导热性能，理论热导率高达200~450 W·(m·K)^-1；同时Si₃N₄具备高强度、高韧性、低介电损耗和低热膨胀系数等特点。这些优异性能使得Si₃N₄陶瓷在电动汽车逆变器（IGBT）的导热基板及电子封装器件（如图1所示）等领域具有广阔的应用前景。

然而，多晶β-Si₃N₄的热导率却远低于理论热导率，其主要原因有两点：（1）在β-Si₃N₄晶粒中，主要通过声子振动（晶格振动）来传递热量，Si₃N₄陶瓷中的晶界相及晶格中氧杂质会加剧声子散射，降低热导率（晶界相的热导率极低，约为5 W·(m·K)^-1）；（2）β-Si₃N₄晶体沿c轴方向密排堆垛，致使β-Si₃N₄晶体的热导率存在各向异性（a和c轴方向的理论热导率分别为170 W·(m·K)^-1和450 W·(m·K)^-1）。因此，如何减少晶界相及晶格中氧杂质含量并控制晶粒的定向排列，实现热导率的提升，将成为该陶瓷材料在导热基板方向发展与应用的关键。

综上所述，Si₃N₄陶瓷作为基板材料在提升热导率方面遇到瓶颈。具体表现在：（1）由于α-Si₃N₄粉体表面过量的SiO₂层参与液相烧结过程，引入过多的非晶相及晶格氧缺陷，因此限制了Si₃N₄陶瓷导热能力；（2）Si₃N₄陶瓷烧结后，因为β-Si₃N₄晶粒的随机排列，所以削弱了导热性能的择优取向，降低了热导率。

发明内容