高導(dǎo)熱率氮化硅陶瓷是獲得高導(dǎo)熱率氮化硅散熱基板的前提,而影響氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的因素很多。例如,氮化硅陶瓷的致密度、相阻度、燒結(jié)時晶種的加入、晶格氧含量、晶粒的尺寸、形狀排列方式等都對氮化硅陶瓷的趙得率有著巨大的影響。
在制備氮化硅陶瓷中,反應(yīng)物中的孔隙率為12%-25%了,而氣體的熱導(dǎo)率一般較低,故致密度越大,孔隙率越低,熱導(dǎo)率越高。氮化硅具有α和β 兩種晶體相,其中相中的氧含量高于β相中的氧含量,而氧雜質(zhì)對聲子具有散射的作用,因此氮化硅陶瓷中β/α的值越大,熱導(dǎo)率越高。當(dāng)燒結(jié)高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷時,在 Si?N4原料中加入尺寸較大的β-Si?N4晶種,為 β-Si?N4 。晶粒的結(jié)晶提供晶核,將晶界相逐漸排擠進(jìn)入多晶交界處,從而提高熱導(dǎo)率: Naoto , Hirosaki 等用β一Si?N4 作為原料,研究添加0.5wt.%的大粒徑β-Si?N4 作為晶種和不添加晶種的氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的差別,均在溫度為 1900℃ ,氮氣壓力為 l0MPa 的條件下用氣壓燒結(jié)的方法制備氮化硅陶瓷。結(jié)果表明,添加晶種的氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率為 l06w/(m·K) ,而不加晶種的氮化硅陶瓷只有77W/(m.K)。
聲子運動的一個重要參數(shù)是聲子的運動自山程,理論上晶粒尺寸與其平均自由程為相同數(shù)量級時,晶界對聲子造成散射。而在一般情況下,除反應(yīng)燒結(jié)外,Si?N4 燒結(jié)體的晶粒尺寸均為微米級,遠(yuǎn)大于聲子間的平均白由程,所以Si?N4 .晶粒尺寸對Si?N4的熱導(dǎo)率沒有直接影響,但是隨著Si?N4晶粒尺寸的增大,晶間相的分布會有所變化,相鄰兩個晶粒間的晶間相薄層數(shù)量會減少,因而,在一定尺寸范圍內(nèi),晶粒的增大可以提高Si?N4的熱導(dǎo)率。單晶β-Si?N4顆粒沿c和α兩個劃晌喇飛畢率分別可達(dá)180W/(m.k)和69W/(m.k) , 氮化硅陶瓷中顆粒的定向排列可以充分發(fā)揮β-Si?N4 熱導(dǎo)率各向異性的特點,獲得在某一方向上熱導(dǎo)率較高的氮化硅陶瓷。例如 watari 等在燒結(jié)時加入β- Si?N4 晶種,采川流延成型工藝使晶粒定向排列,得到在平行和垂直流延成型方向卜分別為15sw/(m·K)和 52w/(m·K的導(dǎo)熱率,雖然在某一方向上熱導(dǎo)率有較大的提高,但是熱導(dǎo)率存在各向異性限制了其應(yīng)用范圍。