氮化矽陶瓷材料之發展

 

刊登日期:2020/12/5
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莊凱翔、林浚傑、翁雪萍、張名惠、邱國創/工研院材化所;魏汝超/超能高新材料股份有限公司
 
Si3N4氮化矽材料具有優異的機械性能及破斷韌性,過去主要應用於相當嚴苛之環境,如:軍事、半導體、精密機械領域等,需求量穩定。但最近卻有大幅度的市場變化:例如,Si3N氮化矽粉體材料應用於口罩上可抑制冠狀病毒的傳播;而其快速充放電穩定特性,成為鋰電池負極材料新興研究方向;加上第三代半導體及電動車產業發展,高功率模組有大量高電阻、高導熱的陶瓷基板需求,造成Si3N氮化矽粉體、基板的需求量大增。同時,為了能更符合未來車用產業穩定性要求,材料的特性將往高可靠度、高導熱的特性開發。例如,熱傳導係數由目前的 80 W/m·K邁向 170 W/m·K的目標。發展關鍵是在新材料組成、成形工藝、燒結製程,而微觀組織調控等方式亦是可以再精進的地方。我國擁有Si3N氮化矽粉體材料及結構陶瓷基板生產的自主化能量,加速此材料產業的投入可以協助我國在第三代半導體產業中爭取一席之地,帶動我國產業轉型。
 
【內文精選】
前 言
氮化矽(Silicon Nitride; Si3N4)最早發現於1857年,藉由其優異的材料特性,如:硬度及機械強度高、熱膨脹係數小、高溫潛變小、抗氧化性能好、耐腐蝕、自潤滑、高破斷韌性等諸多優異性能,在精密機械、冶金、航空航太、化工、生醫等領域得到廣泛應用,其應用產品如切削刀具、陶瓷軸承、耐火材、引擎高溫噴嘴等。改質型的氮化矽也因優異的快速充放電穩定性,成為鋰電池負極材料的新興研究方向。
 
Si3N4氮化矽的基本物理及化學特性
對於高功率的第三代半導體產業,目前已預見許多特殊陶瓷基板材料的需求,如陶瓷基板材料有AlN氮化鋁及Si3N4氮化矽材料。如表一所示,α-Al2O3氧化鋁為相當常見的結構陶瓷材料,但熱傳導率僅 20~30 W/m·K,且熱膨脹係數較高並不適用於發熱量極高的高功率元件環境;取而代之的就有AlN氮化鋁及Si3N4氮化矽材料:AlN氮化鋁的熱傳導係數可以高達150~230 W/m·K,並且熱膨脹係數為 4.6×10-6/K,有接近第三代半導體材料SiC與GaN的熱膨脹係數的優點,然而其抗折強度 350 MPa及破斷韌性 2.7 MPa·m1/2,導致可靠度的表現較低,故AlN氮化鋁機械強度是需要改善及發展的方向;Si3N4氮化矽材料具有優異的抗折強度 600~800 MPa及破斷韌性 6.0~8.0 MPa·m1/2,故在冷熱衝擊循環測試條件下,具有5,000次以上的優異可靠度表現,目前商用的基板熱傳導係數約 80~100 W/m·K,尚可接受,故Si3N4氮化矽材料的熱傳導係數提升是未來的重點研究課題。
 
表二、α/β-Si3N4材料特性的相對關係比較
表二、α/β-Si3N4材料特性的相對關係比較
 
氮化矽晶體結構與熱力學反應
氮化矽主要有三種晶體結構,分別為α、β及γ結構。α及β均為六方形晶系(Hexagonal),α及β相分別為低溫及高溫的晶體結構,如表二所示,α相的c軸長度約為β相的2倍;γ結構為立方形晶系(Cubic),需高溫高壓的環境下才能形成。
 
β相氮化矽結構的空間群為 P63/m,β相結構類似於Be2SiO4矽酸鈹晶體結構,其中氧原子位置被氮原子取代,鈹原子位置被矽原子取代,如圖一(a)、(b)所示,三個氮原子與矽原子結合並分為AB層結構,β相以堆疊順序ABABABAB沿c軸方向上形成連續的晶體結構…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖一、Si3N4氮化矽晶體結構,(a)、(b)為β相ABAB;(c)、(d)為α相ABCD
圖一、Si3N4氮化矽晶體結構,(a)、(b)為β相ABAB;(c)、(d)為α相ABCD
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》408期,更多資料請見下方附檔。

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