氮化硅陶瓷，是一種燒結(jié)時(shí)不收縮的無機(jī)材料陶瓷。氮化硅的強(qiáng)度很高，尤其是熱壓氮化硅，是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。具有高強(qiáng)度、低密度、耐高溫等性質(zhì)。Si3N4陶瓷是一種共價(jià)鍵化合物，基本結(jié)構(gòu)單元為[SiN4]四面體，硅原子位于四面體的中心，在其周圍有四個(gè)氮原子，分別位于四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，然后以每三個(gè)四面體共用一個(gè)原子的形式，在三維空間形成連續(xù)而又堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形狀，在氮?dú)庵屑?200℃的高溫下進(jìn)行初步氮化，使其中一部分硅粉與氮反應(yīng)生成氮化硅，這時(shí)整個(gè)坯體已經(jīng)具有一定的強(qiáng)度。然后在1350℃～1450℃的高溫爐中進(jìn)行第二次氮化，反應(yīng)成氮化硅。用熱壓燒結(jié)法可制得達(dá)到理論密度99%的氮化硅。

氮化硅陶瓷各方面性能較平衡，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，因此在電力電子器件的陶瓷基板制造領(lǐng)域，有著較強(qiáng)的競爭力。

具有基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)的人都知道：氮元素和硅元素在地球上具有極大的存儲(chǔ)量，而由這兩種元素組成的材料，就是氮化硅（Si3N4）。由氮化硅為主材，制造的現(xiàn)代功能陶瓷，更是具有極其廣泛的應(yīng)用。

高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷微觀形貌

過去的電路基板是將分離元器件進(jìn)行電路組合或集成電路與分立元器件電路組合，形成達(dá)到整體電路功能要求的平板材料，要求只是絕緣和導(dǎo)電。

而進(jìn)入智能化信息時(shí)代后，對(duì)電力電子器件還要求能夠?qū)﹄娔苓M(jìn)行變換和控制，由此便大大提升了器件的電控和功率轉(zhuǎn)換性能要求與運(yùn)行功耗，相應(yīng)的，普通的基板已無法滿足降低復(fù)雜功率器件熱阻、控制運(yùn)行溫度、保障可靠性的高要求，必須更換性能更優(yōu)的基板，新型功率陶瓷基板便應(yīng)運(yùn)而生。

基于電子器件對(duì)陶瓷基板的性能要求，基板材料應(yīng)具有以下性質(zhì)：

（1）良好的絕緣性和抗電擊穿能力；

（2）高的導(dǎo)熱率：導(dǎo)熱性直接影響半導(dǎo)體期間的運(yùn)行狀況和使用壽命，散熱性差導(dǎo)致的溫度場分布不均勻也會(huì)使電子器件噪聲大大增加；

（3）熱膨脹系數(shù)與封裝內(nèi)其他其他所用材料匹配；

（4）良好的高頻特性：即低的介電常數(shù)和低的介質(zhì)損耗； （5）表面光滑，厚度一致：便于在基片表面印刷電路，并確保印刷電路的厚度均勻。 目前已經(jīng)投入生產(chǎn)應(yīng)用最廣的陶瓷基板材料主要為氧化鋁和氮化鋁。

而氮化硅與它們的性能比起來如何呢？且看下表：

三種陶瓷材料性能對(duì)比

與其它陶瓷材料相比，氮化硅陶瓷材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現(xiàn)出的耐高溫性能、對(duì)金屬的化學(xué)惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能。

既然氮化硅這么優(yōu)秀，為什么市場應(yīng)用仍較少？

其實(shí)三種材料各有優(yōu)劣，如氧化鋁雖然導(dǎo)熱性能較差，無法跟上大功率半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)，但其制造工藝成熟，成本低，在中低端領(lǐng)域仍有很大的需求量。氮化鋁的導(dǎo)熱性能最好，與半導(dǎo)體材料有良好的匹配，可應(yīng)用于高端產(chǎn)業(yè)，只是力學(xué)性能較差，影響半導(dǎo)體器件壽命，使用成本較高。

而氮化硅在綜合性能方面表現(xiàn)最優(yōu)，但入門門檻很高，目前國內(nèi)很多科研單位和企業(yè)都在研究，但技術(shù)難度大，加工成本高，且市場較小，還未出現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的契機(jī)，這也是許多企業(yè)還在觀望，未下定決心加大投入的原因。

在當(dāng)前適應(yīng)第三代半導(dǎo)體，如氮化鎵、碳化硅等性能要求的大功率陶瓷基板材料中，綜合下來最有前途的材料就是：氮化硅陶瓷。它的高導(dǎo)熱系數(shù)、高電流載荷，比較容易滿足第三代功率半導(dǎo)體器件的散熱需求，同時(shí)熱膨脹系數(shù)與大多數(shù)半導(dǎo)體材料匹配，電氣性能與機(jī)械性能也有不錯(cuò)的水平。

第三代半導(dǎo)體正飛速發(fā)展

相對(duì)來說，在木桶效應(yīng)的影響下，氮化硅更適合未來的高性能時(shí)代。 就因?yàn)楣β始呻娐诽沾苫鍖?duì)于電力電子技術(shù)的發(fā)展具有不可或缺的地位，所以也就成為西方發(fā)達(dá)國家對(duì)我們國內(nèi)進(jìn)行全方位技術(shù)封鎖的關(guān)鍵材料之一，西方國家目前已限制氮化硅陶瓷基板的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)入我國，而氮化硅陶瓷電路基板在美、日也已經(jīng)有了成熟的產(chǎn)品，第三代半導(dǎo)體器件的成套技術(shù)也已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化。

時(shí)代的發(fā)展在推著整個(gè)產(chǎn)業(yè)向前，由于氮化硅是第三代大功率半導(dǎo)體器件的配套材料，不但會(huì)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且對(duì)于中國的國防建設(shè)也具有戰(zhàn)略意義，因此，說氮化硅陶瓷基板是世界級(jí)戰(zhàn)略產(chǎn)品，也就一點(diǎn)不為過了。 而這個(gè)重要產(chǎn)業(yè)最關(guān)鍵之處就是，氮化硅陶瓷基板要和第三代大功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行配套，是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要大規(guī)模資金的配合還要進(jìn)行綜合技術(shù)的整合，要有組織機(jī)構(gòu)的強(qiáng)力協(xié)調(diào)，才能夠完成這個(gè)配套的任務(wù)。