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沉寂20余年，氮化硅理论热导率极限预测终起波澜

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2023-05-14 13:09 阅读：5821

2026年上海国际粉体加工与处理展览会POWDEX CHINA

2026-03-24-03-26

距离320天

热管理对高集成度和高功率密度电子器件的正常运行至关重要。高性能电子器件运行时会产生大量的热量，如果不能有效及时地将这些热量排出，就会导致器件过热，进而影响性能，甚至损坏器件。优秀的热管理材料应当同时具备高导热性能和机械性能，以避免器件过热或断裂。氮化硅（Si₃N₄）因优异的力学性能以及良好的理论热导率，使其成为具有前景的大功率电子器件基板材料候选者之一。

氮化硅的前世今生

1857年Deville和Wohler首次报道了Si₃N₄的合成方法，他们合成了一种称之为硅的氮化物的产物，但他们未能弄清它的化学成分；1879年Paul Schuetzenberger通过将硅与衬料混合后在高炉中加热，把得到的产物报道为成分是Si₃N₄的化合物；1910年Weiss和Englhart在纯的氮气下加热硅单质得到了Si₃N₄；1925年Friederich和Sittig利用碳热还原法在氮气气氛下将二氧化硅和碳加热至1250-1300℃合成了Si₃N₄。因Si₃N₄相对复杂的结构，可能形成较大的声子散射，导致Si₃N₄一度被定义为低热导率材料。1995年，Haggerty和Lightfoot等人借助固体传输理论，提出200～320W/mK或许是β-Si₃N₄陶瓷热导率的极值，这也为Si₃N₄作为高导热材料提供了理论支撑。2002年，借助经验势函数，通过分子动力学模拟，Hiroshi等重新计算了α-Si₃N₄和β-Si₃N₄单晶体的理论热导率，得出二者具有差异性的高热导率：α-Si₃N₄单晶理论热导率沿a轴为105W/mK，c轴为225W/mK；β-Si₃N₄单晶理论热导率沿a轴为170W/mK，c轴为450W/mK。

传统理论影响氮化硅热导率的因素

固体热传导主要分为两种，一种是电子运动导热，称为电子热导；另种为晶格振动的格波（声子）传播导热，称为晶格热导。Si₃N₄为强共价键化合物，具有较宽禁带宽度，因此Si₃N₄材料传热机制为声子传热。理论计算Si₃N₄热导率是将其作为无缺陷的单晶材料，这时声子的传输不受干扰。而目前实验中所实现的Si₃N₄最高热导率仅为177 W/mK，远低于传统理论450W/mK的预测值。人们普遍将实验值与理论值的不匹配，归结为实际制备的陶瓷为多晶Si₃N₄。人们认为，对单晶Si₃N₄来说，晶格热振动不受任何阻碍，因此具有较高理论热导率。但对多晶Si₃N₄材料而言，陶瓷不致密形成的气孔、添加烧结助剂形成的晶界相、晶格内部缺陷等都会成为热传输过程中的阻力。影响Si₃N₄陶瓷导热因素主要有晶粒大小和取向、晶格缺陷、第二相成分及含量等。晶粒大小和取向由于β-Si₃N₄本征热导存在各向异性，晶粒的定向排列会改变Si₃N₄陶瓷的热导。Hirao等人通过流延成型或挤出方法使得晶粒定向排列，制备出的Si₃N₄陶瓷沿流延方向热导率最高可达155W/mK；Zhu等人通过加入不同纤维状β-Si₃N₄作为晶种，使用强磁场使晶粒定向排列，制备出的样品ｃ轴方向上热导率为176W/mK。此外，人们认为增加晶粒尺寸可减少晶界数量，在声子传输过程中受到的影响降低，从而提高陶瓷热导率。Kitayama等人通过建立理论模型来表征晶粒大小和第二相厚度对Si₃N₄陶瓷导热性能的影响。研究表明随晶粒的长大，第二相含量和晶格缺陷减小，这是提高热导的关键。Si₃N₄陶瓷微观组织普遍以双态结构存在，即由细小β相晶粒（≤2μm）组成的基体相和大尺寸β相晶粒（≥2μm）相组成，大尺寸β相晶粒含量的多少对Si₃N₄陶瓷热导起着决定性作用。Yokota等人研究了原始粉体粒径对Si₃N₄陶瓷微观组织和热导率的影响，发现使用粗颗粒粉体为原料，所制备陶瓷中大尺寸β-Si₃N₄晶粒的直径和长度都有所减小。当大尺寸晶粒（≥2μm）含量为38.9%和57.1％时，其热导率分别为128W/mK和140W/mK。因此，决定Si₃N₄导热的因素不仅仅是晶粒尺寸大小，大尺寸晶粒的含量起着决定性作用。晶格缺陷Si₃N₄中的缺陷会成为声子散射中心，降低声子平均自由程，进而影响材料热导率。其中，晶格氧缺陷是降低Si₃N₄陶瓷热导的主要原因。在烧结过程中，Si₃N₄粉中的氧原子以二氧化硅的形式发生固溶反应，该反应可由下面公式表示：

2 个SiO₂的溶入形成了4个杂质氧和1个硅的空位，氧原子取代Si₃N₄中的N原子位置，为保持电中性形成V_Si。因此，氧原子溶进Si₃N₄晶格将形成大量缺陷，这会导致声子传播过程中散射，影响热传输，严重降低Si₃N₄陶瓷导热性能。为了减少杂质氧的含量，一方面可选用氧含量低的粉体为原料，另一方面可通过高温下长时间处理提高陶瓷导热率。第二相成分及含量Si₃N₄为强共价键化合物，难以烧结致密，通常需要加入烧结助剂促进致密化。烧结助剂主要有两个作用，一是与Si₃N₄或者硅粉表面二氧化硅形成低温液相，促进烧结致密化；二是将Si₃N₄粉体表面氧固结在晶界处，防止进入晶格内部形成缺陷。但是烧结完成后，助剂以第二相形式存在于晶界处，其本身热导率非常低1～10W/mK，会影响整个材料的导热性能。因此，烧结助剂的种类和数量选择非常重要。目前，多数选择碱土金属氧化物和稀有金属氧化物作为混合烧结助剂。

沉寂20余年，氮化硅理论热导率极限预测终起波澜

在上述文献理论预测的推动下，人们坚信Si₃N₄的理论热导率上限为450W/mK，并一直不断实验来提高β-Si₃N₄样品的热导率，持续了二十多年。不过近日，犹他大学Tianli Feng教授团队提出，之前关于Si₃N₄理论上限的预测值本身并不正确。通过第一性原理，该团队揭示：室温下β-Si₃N₄的理论热导率上限沿c和a轴分别只有169W/mK和57W/mK，并不是之前认为的450 W/mK。此预测不需要依靠拟合参数或经验势函数，因此普遍比较准确。通过预测值与多组实验数据在较宽温度范围内的比较，研究者发现之前的实验中已经达到理论热导率上限，因此，实验上继续提高纯度和颗粒大小并不会提高热导率。作为对照，文中还计算了α-Si₃N₄，其热导率沿c和a轴分别为116W/mK和87W/mK。

（a）第一性原理预测的Si₃N₄热导率随温度的变化及与实验数据的对比；（b）第一性原理预测的α-Si₃N₄和β-Si₃N₄热导率随温度变化的对比（来源：Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si₃N₄）

与其他常用的半导体材料（例如SiC、AlN和GaN）相比，尽管Si₃N₄ 的化学键和机械强度相当甚至更强，但其热导率要低得多。比如SiC热导率是400-500 W/mK，AlN热导率是325 W/mK，GaN热导率是200 W/mK。通过对比SiC和Si₃N₄的声子性质，团队发现Si₃N₄的较低热导率是由于其较大的三声子散射空间和更强的非简谐性导致了较低的声子寿命和平均自由程。

室温下Si₃N₄热导率与3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC、AlN和GaN的对比。AlN和GaN的各向异性并不显著，未展示在图中。（来源：Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si₃N₄）

此外，团队发现更大的晶胞（原胞中具有更多的原子）导致的较少声学声子占比并不是低热导率的原因。研究还表明，只有在晶体颗粒尺寸小于1μm时，热导率才会比较明显的受到尺寸影响。本研究阐明了Si₃N₄理论热导率的上限，希望能够对实验研究有所帮助。相关成果以“Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si₃N₄”为题发表于《Applied Physics Letters》。

（来源：《Applied Physics Letters》）

参考资料：

1、张伟儒，《第3代半导体碳化硅功率器件用高导热氮化硅陶瓷基板最新进展》

2、Hao Zhou、Tianli Feng，《Theoretical upper limits of the thermal conductivity of Si₃N₄》

3、王月隆，《氮化硅粉体合成及其高导热陶瓷的组织与性能研究》

4、白云飞，《晶格氧对氮化硅陶瓷热导率影响的研究进展》

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第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会

在半导体芯片设备中，精密陶瓷零部件的成本约占10％左右，当前市场基本被美国、日本等发达国家垄断。如何实现光刻机等半导体设备中先进陶瓷部件的国产化，解决当前芯片行业“卡脖子”问题的重要一环，也是国内先进陶瓷企业面临的巨大机遇与挑战。同时，随着新能源汽车、5G、人工智能、物联网等行业的蓬勃发展，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料产业规模不断扩大，先进陶瓷在半导体行业将迎来更大的应用市场。在此背景下，第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会将在江苏苏州举办，旨在为半导体和先进陶瓷行业搭建沟通平台，交流先进技术，互通行业信息，促进产业链合作，推动国产替代进程。会议热诚欢迎行业专家、学者、技术人员、企业界代表出席，同时欢迎公司、企事业单位展示技术成果，洽谈产、学、研合作。

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