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氮化硅（Si?N?）的本征熱導率大約320 W/(m·K)，是一種具有高導熱性能及優(yōu)越機械特性的結構陶瓷材料。在常溫下，它表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，因此成為當代廣受歡迎的半導體陶瓷基板封裝材料。盡管如此，氮化硅的實際熱導率與其理論值之間存在顯著差異。本文旨在探究導致這一差距的因素。

１ 晶格氧

Si?N?的熱導主要依賴于聲子的傳導，而晶格缺陷如空位、層錯及晶間雜質的存在會導致聲子的散射加劇，從而降低Si?N?的熱導率。

晶格氧是影響Si?N?熱導率的關鍵因素。在氧原子進入Si?N?的晶格后，會形成Si空位，這樣顯著縮短了聲子運動的平均自由程，進而降低Si?N?的熱導率。為了進一步提升Si?N?的熱導率，可以通過降低原材料中的氧含量來提高燒結活性，同時保持原材料的粒徑較小，避免引入額外的氧雜質。

Si?N?常用的燒結助劑也往往會引入晶格氧。同時，在液相中會形成熱導率通常低于1 W/(m·K) 的晶間第二相，這也對 Si?N? 的實際熱導率產(chǎn)生負面影響。研究發(fā)現(xiàn)，當采用稀土氧化物作為燒結助劑時，氮化硅的晶格氧含量會因元素離子半徑的減小而降低，在確保燒結致密度和晶粒尺寸良好的前提下，盡量實現(xiàn)低溫燒結，以降低氮化硅陶瓷基板的生產(chǎn)成本。

此外，引入適量的還原性碳粉可減少二次相的生成，促進晶格的純凈度，同時避免過量游離碳的出現(xiàn)，從而提高熱導率。

2、氮化硅的晶體結構

氮化硅是一種具有強共價鍵的化合物，其相對分子質量為140.68,常見的晶體結構有 α-Si?N? 和 β-Si?N?，均歸屬于六方晶系。因氮化硅陶瓷的燒結溫度通常在 1800 ℃ 以上，β-Si?N? 通常是工業(yè)應用中氮化硅陶瓷產(chǎn)品的主要晶相。

（1）β-Si?N?晶粒生長驅動力在α-Si?N?轉變?yōu)棣?Si?N?的相變過程中，未轉變的α-Si?N?會顯著影響其熱導率。這表明，為了提高β-Si?N?的導熱性能，有必要通過促進α-Si?N?向β-Si?N?的晶型轉變，來激勵β-Si?N?的形核與生長。  

（2）β-Si?N? 晶粒生長形貌β-Si?N?晶粒尺寸的增加，熱導率也明顯提升。延長退火時間同樣能夠顯著增強氮化硅的熱導性能。然而，當晶粒達到某個臨界尺寸后，進一步促進晶粒的增大對β-Si?N?的導熱性并不會產(chǎn)生明顯的提升。

3、致密度致密度對氮化硅的熱導性能具有顯著影響。

隨著氣孔率的增加，氮化硅的實際熱導率明顯降低。此外，具有較高熱導率的氮化硅陶瓷通常也伴隨著較大的密度和熱擴散系數(shù)。使用稀土氧化物可以幫助實現(xiàn)高致密度的氮化硅陶瓷。

4、燒結工藝氮化硅陶瓷的致密化需要通過液相燒結實現(xiàn)，6種氮化硅陶瓷燒結工藝對比如下：

在不同的燒結工藝和燒結條件下，Si?N?的致密度會有所不同。因此，尋找合適的燒結方法，并結合有效的手段降低晶格氧含量，是獲取高熱導率Si?N?陶瓷的關鍵所在。