材質特性
對於高功率的半導體產業,目前已有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。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。
材質應用
氮化矽陶瓷材料具有熱穩定性高、抗氧化能力強以及產品尺寸精確度高等優良性能。由於氮化矽是鍵強高的共價化合物,並在空氣中能形成氧化物保護膜,所以還具有良好的化學穩定性,1200℃以下不被氧化,1200~1600℃生成保護膜可防止進一步氧化,並且不被鋁、鉛、錫、銀、黃銅、鎳等很多種熔融金屬或合金所浸潤或腐蝕,但能被鎂、鎳鉻合金、不鏽鋼等熔液所腐蝕。
氮化矽陶瓷材料可用於高温工程的部件,冶金工業等方面的高級耐火材料,化工工業中抗腐蝕部件和密封部件,機械加工工業的刀具和刃具等。由於氮化矽與碳化矽、氧化鋁、二氧化釷、氮化硼等能形成很強的結合,所以可用作結合材料,以不同配比進行改性。
此外,氮化矽還能應用到太陽能電池中。用PECVD法鍍氮化矽膜後,不但能作為減反射膜可減少入射光的反射,而且,在氮化矽薄膜的沉積過程中,反應產物氫原子進入氮化矽薄膜以及矽片內,起到了鈍化缺陷的作用。這裡的氮化矽氮矽原子數目比並不是嚴格的4:3,而是根據工藝條件的不同而在一定範圍內波動,不同的原子比例對應的薄膜的物理性質有所不同。
材質數據
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 |