高导热氮化硅基片关键技术及研究进展

      近年来,半导体器件正朝着大功率、高频化、集成化方向发展。大功率半导体器件广泛应用于风力发电、太阳能光伏发电、电动汽车、LED照明等领域。因为任何半导体器件在运行中都有一定的损耗,而大部分的损耗都是以热的形式散失的,并引起一定的器件失效事件。据统计,55%的设备故障是由高温引起的。
研究发现,陶瓷材料具有较好的热导率和机械性能、高熔点、高硬度、高耐磨性、抗氧化性等优点,是高端半导体器件,特别是大功率半导体器件衬底的最佳材料。研究发现,衬底材料应具有以下特性:

(1)良好的绝缘性和抗电击穿性;

(2)高导热性:导热性直接影响半导体器件的工作条件和使用寿命,散热不良导致温度场分布不均匀,也会大大增加电子器件的噪声;

(3)热膨胀系数与封装中其他材料匹配;高频特性好:介电常数低,介电损耗低;

(5) 表面光滑,厚度均匀:便于印刷电路在基板表面上,保证印刷电路的厚度均匀。
半导体器件用陶瓷基片材料氮化硅
       目前常用的衬底材料主要有:陶瓷基片、微晶玻璃基片、金刚石、树脂基片、硅基片和金属基或金属基复合材料。目前已投入生产的应用陶瓷基片材料主要有氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O3)和亚硝酸铝(AlN)。随着半导体器件向大功率、高频化方向发展,对陶瓷绝缘基板的热导率和力学性能提出了更高的要求。氮化硅是目前国内外公认的具有高导热性和高可靠性的陶瓷基片材料。单晶硅氮化硅的理论热导率可达400W•M-1•K-1以上,具有成为高导热衬底的潜力。
       Si3N4具有三种晶体结构:α相、β相和γ相。Si3N4最常见的相和相是六角结构,可以在常压下制备。Si3N4陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等优良性能,与油润滑金属表面相似,Si3N4陶瓷是综合性能最好的结构陶瓷。

高导热氮化硅陶瓷材料的影响因素
原料粉的影响
      原料粉体是影响陶瓷物理力学性能的关键因素,特别是对于高导热系数的氮化硅陶瓷,原料粉体的纯度和粒度对其导热性能和力学性能有着重要的影响。
烧结助剂的影响
      氮化硅属于构筑强共价化合物,依靠固相扩散都是很难烧结的密度所必须添加的烧结添加剂,如MgO型、Al2O3、CaO和稀土氧化物,在烧结过程中,烧结添加剂可以与天然氧化物一起添加到氮化硅粉体的表面上形成低熔点共晶溶液,利用液相烧结机理实现致密化。注意烧结助剂不能起到很好的烧结效果。选择合适的烧结剂并制定合理的配方体系是提高si3N4导热系数的关键。烧结助剂大致可分为氧化物助烧剂和非氧化物助烧剂。又分为稀土氧化物助烧剂(Y2O3,CeO,La2O3,Yb2O3)和CaO,MgO烧结助剂。

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