材质特性
对于高功率的半导体产业,目前已有许多特殊陶瓷基板材料的需求,如陶瓷基板材料有AlN氮化铝及Si3N4氮化矽材料。α-Al2O3氧化铝为相当常见的结构陶瓷材料,但热传导率仅 20~30 W/m·K,且热膨胀系数较高并不适用于发热量极高的高功率元件环境;取而代之的就有AlN氮化铝及Si3N4氮化矽材料:AlN氮化铝的热传导系数可以高达150~230 W/m·K,并且热膨胀系数为 4.6×10-6/K,有接近第三代半导体材料SiC与GaN的热膨胀系数的优点,然而其抗折强度 350 MPa及破断韧性 2.7 MPa·m1/2,导致可靠度的表现较低,故AlN氮化铝机械强度是需要改善及发展的方向;Si3N4氮化矽材料具有优异的抗折强度 600~800 MPa及破断韧性 6.0~8.0 MPa·m1/2,故在冷热冲击循环测试条件下,具有5,000次以上的优异可靠度表现。
材质应用
氮化矽陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。由于氮化矽是键强高的共价化合物,并在空气中能形成氧化物保护膜,所以还具有良好的化学稳定性,1200℃以下不被氧化,1200~1600℃生成保护膜可防止进一步氧化,并且不被铝、铅、锡、银、黄铜、镍等很多种熔融金属或合金所浸润或腐蚀,但能被镁、镍铬合金、不锈钢等熔液所腐蚀。
氮化矽陶瓷材料可用于高温工程的部件,冶金工业等方面的高级耐火材料,化工工业中抗腐蚀部件和密封部件,机械加工工业的刀具和刃具等。由于氮化矽与碳化矽、氧化铝、二氧化钍、氮化硼等能形成很强的结合,所以可用作结合材料,以不同配比进行改性。
此外,氮化矽还能应用到太阳能电池中。用PECVD法镀氮化矽膜后,不但能作为减反射膜可减少入射光的反射,而且,在氮化矽薄膜的沉积过程中,反应产物氢原子进入氮化矽薄膜以及矽片内,起到了钝化缺陷的作用。这里的氮化矽氮矽原子数目比并不是严格的4:3,而是根据工艺条件的不同而在一定范围内波动,不同的原子比例对应的薄膜的物理性质有所不同。
材质数据
Properties |
Units |
Silicon Nitride(Si3N4) |
|
|||
RBSN |
SSN |
HPSN |
||||
Mechanical |
Density |
g/cm3 |
2.3 |
3.2 |
3.3 |
|
Color |
— |
Gray |
Gray |
Gray |
||
Water Absorption |
% |
0 |
0 |
0 |
||
Hardness |
Gpa |
12.7 |
14 |
14 |
||
Flexural Strength (20°C) |
Mpa |
190 |
700-800 |
700-950 |
||
Compressive Strength (20°C) |
Mpa |
2500 |
3200 |
3200 |
||
Thermal |
Thermal Conductivity (20°C) |
W/m°k |
14 |
26-42 |
35-42 |
|
Thermal Shock Resistance (20°C) |
∆T(°C) |
330 |
530-610 |
540-650 |
||
Maximum Use Temperature |
°C |
1400 |
1400 |
1400 |
||
Electrical |
Volume Resistivity (20°C) |
Ω-cm |
>1012 |
>1012 |
>1012 |