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上海硅酸鹽所在高導熱氮化硅陶瓷研究中取得系列進展
發布時間: 2020-10-20 11:21 | 【 【打印】【關閉】

  電子電力器件在高速鐵路、新能源汽車、航空航天、太陽能及風力發電等領域有著廣泛的應用。近年來,電子電力器件朝大功率、高密度、集成化等方向發展,對器件中陶瓷散熱基板提出了更高要求。目前常用的氧化鋁基板熱導率低,氮化鋁基板可靠性差,限制了其在高端功率半導體器件中的應用。氮化硅陶瓷基板具有高強度、高韌性、高絕緣、高熱導率、高可靠性及與芯片匹配的熱膨脹系數等優點,是一種綜合性能最優的基板材料,應用前景廣闊。 

  中國科學院上海硅酸鹽研究所曾宇平研究員團隊面向高性能氮化硅陶瓷材料開展了一系列工作。針對α-Si3N4原料粉體表面氧含量高,提出“碳熱還原”、“硅熱還原”、“金屬熱還原”等方法消耗或轉化表面氧;開發出金屬氫化物、硅化物、硼化物等新型非氧化物助劑以替代傳統氧化物燒結助劑,利用“溶解-析出”機制,通過對液相組分的調節實現對氮化硅陶瓷顯微結構、晶界相組成、晶格氧含量的調控。研究發現表面氧的移除及非氧化物助劑的使用有利于“缺氧-富氮”液相的形成。液相中高N/O比有利于α→β相變和晶粒生長;低SiO2活度阻礙了晶格氧的形成,從而實現熱學-力學性能的同步改善。制備出的氮化硅陶瓷熱導率經第三方檢測最優可達136.9 W/(m·K)。以上工作為高導熱氮化硅陶瓷液相燒結過程中晶界相、晶格氧調控提供了設計思路。相關成果相繼發表于 

  J Am Ceram Soc, doi: /10.1111/jace.16902; 

  J Am Ceram Soc, doi: /10.1111/jace.17271; 

  J Am Ceram Soc, doi: /10.1111/jace.17282; 

  J Eur Ceram Soc, doi: /10.1016/j.jeurceramsoc.2020.06.005; 

  J Eur Ceram Soc, doi:/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.023; 

  J Alloy Compd, doi://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157451; 

  J Alloy Compd, doi://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152203. 

  該工作得到了國家重點研發計劃、中科院科技服務網絡計劃(STS計劃)、中科院重點部署、上海市科委科研計劃項目等科研項目的資助。相關工作第一作者為上海硅酸鹽所2016級直博生王為得,導師為曾宇平研究員。     

通過液相組分的調控實現陶瓷性能的調控機理示意圖

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