氮化硅的使用發(fā)展過(guò)程

陶瓷形式的氮化硅最早是由英國(guó)發(fā)展起來(lái)的。該陶瓷材料于1955年首次生產(chǎn)，主要用于熱電偶管、熔融金屬坩堝和火箭噴嘴。這種類型的材料是通過(guò)加熱和沖洗金屬硅粉末壓坯而形成的氮?dú)獾髞?lái)又稱反應(yīng)結(jié)合氮化硅。由于這種反應(yīng)燒結(jié)氮化硅一般含有25%左右的氣孔，密度不夠高，因此不能反映氮化硅材料的高強(qiáng)度和硬度。

1960年，Parr、Martin和May對(duì)氮化硅性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的反應(yīng)進(jìn)行了總結(jié)，總結(jié)了它們開(kāi)發(fā)的技術(shù)，為氮化硅陶瓷的后續(xù)發(fā)展提供了巨大的技術(shù)支持。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)開(kāi)始了大規(guī)模氮化硅材料開(kāi)發(fā)計(jì)劃。1971年，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始與福特汽車公司和西屋電氣公司合作，制定五年發(fā)展計(jì)劃。本項(xiàng)目旨在探索氮化硅取代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)材料，開(kāi)發(fā)陶瓷燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性。在項(xiàng)目的早期階段，我們意識(shí)到熱壓僅限于生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的氮化硅，而燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件是不同的部件。陶瓷材料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，除非通過(guò)改進(jìn)氮化硅陶瓷的制造工藝。

1976年，Terwilliger和Lange在西屋實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)，氮化硅粉末可以在高于正常溫度的情況下燒結(jié)，無(wú)需施加機(jī)械壓力。氮化硅粉末圓筒在不施加常規(guī)壓力的情況下仍有明顯收縮。因此，可以認(rèn)為，在石墨模具的有限空間內(nèi)，氮化硅的蒸發(fā)損失得到了抑制，從而產(chǎn)生了整體致密性，這是高密度氮化硅陶瓷發(fā)展的重要一步，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了無(wú)壓燒結(jié)氮化硅。

在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，氮化硅的高溫分解非常明顯，單純埋粉是無(wú)法抑制的。需要進(jìn)一步改進(jìn)抑制氮化硅高溫分解的工藝，促進(jìn)燒結(jié)的致密性。因此，氣壓燒結(jié)氮化硅得到了發(fā)展。1976年，日本Mitomo報(bào)道，Si3N4陶瓷燒結(jié)是最早的氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷方法，在1450℃-1900℃和10atm氮?dú)鈮毫ο逻M(jìn)行研究。

以上關(guān)于氮化硅陶瓷的各種燒結(jié)工藝是幾代陶瓷研究人員不懈努力解決氮化硅陶瓷不同工程應(yīng)用的成功結(jié)果。近年來(lái)，放電等離子體燒結(jié)和微波燒結(jié)等新技術(shù)的發(fā)展為氮化硅的應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。

在應(yīng)用方面，氮化硅陶瓷已成為工業(yè)技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料，尤其是尖端技術(shù)，是代表現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的主要方向之一。

氮化硅陶瓷最開(kāi)始被用作不導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)陶瓷，受到了廣泛的歡迎。它的熱導(dǎo)率大約是15 W/(m·K)，直到1955年，Haggerty等人通過(guò)理論計(jì)算得出氮化硅的本征熱導(dǎo)率應(yīng)該在200～320 W/(m·K)之間。除此之外，氮化硅比AlN具有更高的強(qiáng)度、韌性和硬度，這讓它成為了各個(gè)先進(jìn)陶瓷研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)爭(zhēng)相研制與開(kāi)發(fā)的下一代高性能導(dǎo)熱基板材料。

說(shuō)到氮化硅陶瓷基板，目前應(yīng)用最廣泛的是在新能源汽車領(lǐng)域啦！在電動(dòng)汽車?yán)?，大功率封裝器件可是調(diào)控汽車速度和儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換交流和直流的關(guān)鍵角色。而高頻率的熱循環(huán)對(duì)電子封裝的散熱提出了嚴(yán)格的要求，同時(shí)還得應(yīng)對(duì)工作環(huán)境的復(fù)雜性和多元性，這就要求封裝材料有很好的抗熱震性和高強(qiáng)度來(lái)支撐。而氮化硅基片憑借其出色的熱導(dǎo)性能和優(yōu)異的力學(xué)性能，極大地延長(zhǎng)了電子模塊的使用壽命。

目前生產(chǎn)的氮化硅基板主要應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車以及可再生能源領(lǐng)域中，應(yīng)用的產(chǎn)品包括電動(dòng)汽車逆變器的核心功率模塊、汽車高可靠功率模塊和動(dòng)力控制單元的電子器件等等。可以預(yù)見(jiàn)，隨著研究的不斷深入，氮化硅基板在超大規(guī)模集成電路散熱系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)不斷擴(kuò)大。

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