近年来，随着5G通信、航空航天、智能汽车等领域的迅速发展，功率模块的应用越来越广泛，功率模块芯片也逐渐趋于小型化、集成化及高频化。这也就意味着，芯片在工作时，要产生更多的热量，这些积聚的热量使电路的工作温度急剧上升，高温环境不仅会影响芯片的工作效率，还会减少其使用寿命。根据相关统计，在众多的失效原因中，由于热损耗导致的失效占到50%。因此用于封装功率模块的基板的散热性能在整个电子封装系统中
非常关键
[1]
。
半导体器件用基板材料一般为：树脂材料基板、陶瓷材料基板、硅基板和金属或金属基复合基板材料。其中陶瓷材料基板由于其具有较高的热导率、绝缘性能好、热膨胀系数小、良好的高频特性等优异性能而
备受瞩目
[2]
。
表1：
陶瓷基板的物理力学性能
[2]
与其他陶瓷材料相比，
Si
3
N
4
陶瓷材料具有明显优势，尤其是在高温条件下氮化硅陶瓷材料表现出的耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。表１为几种陶瓷基板材料的性能比较，可以看出
Si
3
N
4
陶瓷的抗弯强度、断裂韧性都可达到AlN的2倍以上，特别是在材料可靠性上，
Si
3
N
4
陶瓷具有其陶瓷材料无法比拟的优势
[3]
。
制备方法对氮化硅陶瓷基板的最终性能有重要的影响，本文从粉体制备、成型、烧结等方面对氮化硅陶瓷基板的制备进行了详细阐述。
Si
3
N
4
粉体制备方法
原料粉体的粒度、纯度、物相是影响高导热氮化硅陶瓷基板力学性能、热导率的关键因素。内部杂质和晶格缺陷都会阻碍氮化硅陶瓷热导率的提升。要选择纯度高的氮化硅原料，尤其避免引入氧（O）、铝（Al）元素。原因是，O元素可以形成晶格氧的晶格缺陷造成声子的剧烈散射，Al元素固溶于
Si
3
N
4
，将Si替换，形成低热导率的Sialon相。不仅如此，原料粉体形貌也十分重要，小初始粒径、大比表面积、具备“自形”晶的粉体具有良好的烧结活性，
易制备出高致密度的成品
[4]
。
因此，为减少
Si
3
N
4
基板的晶格氧缺陷、气孔、杂质并优化晶粒尺寸等从而提升基板的强度与热导率，原料粉体不仅需要高纯度，还需要满足低氧、超细、
高α相等指标
[5]
。
不同的制备方法得到的氮化硅粉性能存在较大差异，目前比较常用的制备方法有：
碳热还原SiO
2
法、Si粉直接氮化法、自蔓延高温合成法、热分解法等
[6]
。
1.1 碳热还原SiO
2
[6]
此法采用C和
SiO
2
为原料，通过二者在氮气气氛下反应获得氮化硅粉，具体反应方程式见（1）。选择这种方法的优点是原料便宜，获取方便且工艺简便，缺点是该反应并不能保证完全转化，反应过程中易产出副产物SiC，详见反应式（2），同时获得的氮化硅粉中往往掺杂未反应完全的原料，故使用此法制备的氮化硅粉纯度较低，品质不高。
3SiO
2
(s)
+2N
2
(g)
+6C
(s)
=Si
3
N
4
(s)
+6CO
(g)
（1）
SiO
2
(s)
+3C
(s)
=SiC
(s)
+2CO
(g)
（2）
1.2 硅粉直接氮化法
[1]
硅粉直接氮化法即Si粉与
N
2
直接反应生
Si
3
N
4
粉体，反应化学式见式（3），该方法理论上反应单一，不会生成其他杂项。但该反应为一种强放热反应，且反应温度一般在1400℃左右，因此在反应时很容易超过Si粉的熔点（1420℃），伴随着Si粉的熔融与挥发，制备过程中除固-气（式4）反应外，还存在液-气（式5）、气-气（式6）反应。
3Si+2N
2
=Si
3
N
4
（3）
3Si
(s)
+2N
2
(g)
=Si
3
N
4
（4）
3Si
(l)
+2N
2
(g)
=Si
3
N
4
（5）
3Si
(g)
+
2N
2
(g)
=Si
3
N
4
（6）
1.3 自蔓延高温合成
[6]
此工艺实质上是硅粉直接氮化，将Si粉点燃后，反应（3）会快速发生，向未反应区域自发推进，在几秒内迅速完成氮化。虽然此方法用时极短，效率很高，但反应开始后可控性差，并且此反应温度很高，得到的氮化硅粉末含有较多β-
Si
3
N
4
。
1.4 热分解法
[1]
热分解法是一种在低温环境下进行的化学合成方法，它涉及
SiCl
4
与NH
3
在干燥的己烷中发生界面反应，以生成亚胺基硅或胺基硅前驱体。随后，将这些前驱体在高于1400℃的温度下进行热分解晶化，从而制备出高纯度的α-
Si
3
N
4
粉体。该方法的主要特点包括反应速度快和产物纯度高。然而，无论是前驱体的制备还是热分解过程，都需要严格的工艺控制。此外，前驱体的极易吸潮特性也增加了储存成本。目前，只有日本宇部公司采用此方法大规模生产α-
Si
3
N
4
粉体，而国内很少有公司采用这种方法生产，热分解法也仅见于少量专利。
为了制备具有各向异性的陶瓷材料，可以通过成型方法调控晶粒的排列和生长进行，保证晶粒在一维或二维方向上能够产生较好的定向效果。目前流延、轧膜、浇注和注射成型等高导热氮化硅基板的成型方法中，流延成型被公
认为最适合于工程化制备技术
[4]
。
流延成型工艺是一种常见的湿法成型工艺，通过球磨工艺把粉料与各添加剂配制成具有一定粘度的料浆，料浆自容器中倾出，在刮刀的精确控制下，以均匀的厚度涂布于专用基带上，随后经过固化与干燥处理，最后从基带表面剥离获得生带，如图3所示，因其工艺特点又被称为带式浇铸或
刮刀法
[8]
。
