中國粉體網(wǎng)訊 熱導率又稱導熱系數(shù)，是指材料直接將熱能由高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域的能力。對于陶瓷材料來說，通過特定方法增加陶瓷材料的導熱系數(shù)，將會提高其熱傳導、熱對流、熱輻射的能力。
高導熱陶瓷材料的分類
高導熱系數(shù)陶瓷材料一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等為主，如AlN、BeO、Si3N4、SiC、BN等。
PCD陶瓷
金剛石的傳熱能力很強，其單晶體在常溫下熱導率理論值為1642W/m·K，實測值為2000W/m·K。但金剛石大單晶難以制備，且價格昂貴。聚晶金剛石燒結(jié)過程中往往需要加入助燒劑以促進金剛石粉體之間的粘結(jié)，從而得到高導熱PCD陶瓷。但在高溫燒結(jié)過程中，助燒劑會催化金剛石粉碳化，使聚晶金剛石不再絕緣。金剛石小單晶常被作為提高陶瓷熱導率的增強材料添加到導熱陶瓷中，以起到提高陶瓷導熱率的作用。
SiC陶瓷
目前碳化硅是國內(nèi)外研究較為活躍的導熱陶瓷材料。碳化硅陶瓷具有高溫強度大、耐磨損性能好、熱膨脹系數(shù)小、高溫氧化性強等特點，主要應用于密封環(huán)、研磨介質(zhì)、精密軸承零部件、防彈板、噴嘴等領域。
SiC的理論熱導率非常高，已達到270W/m·K，其熱導率超過金屬銅，是Si的3倍，是GaAs的8~10倍。但由于SiC陶瓷材料的表面能與界面能的比值低，即晶界能較高，因而很難通過常規(guī)方法燒結(jié)出高純致密的SiC陶瓷。采用常規(guī)的燒結(jié)方法時，必須添加助燒劑且燒結(jié)溫度必須達到2500℃以上，但這種燒結(jié)條件又會引起SiC晶粒長大，大幅降低SiC陶瓷的力學性能。
Si3N4陶瓷
氮化硅陶瓷因具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨性和獨特的電性能而被廣泛應用于機械、冶金、化學、電子、原子能及航空航天等領域。單晶氮化硅的理論熱導率可達400W/(m·K)，具有成為高導熱基片的潛力。此外Si3N4的熱膨脹系數(shù)為3.0×10-6℃左右，與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好。但由于氮化硅的結(jié)構(gòu)比AlN的結(jié)構(gòu)更為復雜，對聲子的散射較大，因而在目前研究中，燒結(jié)出的氮化硅陶瓷的熱導率遠低于氮化硅單晶，但同時這些特點也限制了其規(guī)�；茝V與應用。
BeO陶瓷
BeO是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，由于BeO具有纖鋅礦型和強共價鍵結(jié)構(gòu)，而且相對分子質(zhì)量很低，因此，BeO具有極高的熱導率，是氧化鋁的10倍左右，其室溫熱導率可達250W/(m·K)，與金屬的熱導率相當，并且在高溫、高頻下，其電氣性能、耐熱性、耐熱沖擊性、化學穩(wěn)定性俱佳。但BeO陶瓷的致命缺點是其劇毒性，長期吸入BeO粉塵會引起中毒甚至危及生命，并會對環(huán)境造成污染，這極大影響了BeO陶瓷基片的生產(chǎn)和應用。
AlN陶瓷
氮化鋁屬于共價鍵化合物，是一種綜合性能優(yōu)異的陶瓷材料。其熱導率為Al2O3的8~10倍，價格又遠低于立方氮化硼，且所需的助燒劑不具備氧化鈹（BeO）的毒性。由于AlN高熱導率、極強的耐熱性、低介電常數(shù)和損耗、與 Si 匹配的線膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特性，被視為最有發(fā)展前景的新一代優(yōu)良絕緣散熱基片材料。
若想制備出高導熱的AlN陶瓷，需要添加適當?shù)臒Y(jié)助劑。常見的AlN陶瓷助燒劑有：Y2O3、CaCO3、CaF2、YF3等。添加助燒劑燒結(jié)高導熱AlN陶瓷的方法目前已廣泛應用于生產(chǎn)中，但是由于AlN 陶瓷燒結(jié)時間長、燒結(jié)溫度高、高品質(zhì)AlN粉價格貴等原因，導致AlN陶瓷制作成本極高。
高導熱陶瓷材料的應用
高導熱率陶瓷的應用范圍十分廣泛，其中最為重要的是作為陶瓷基板的應用。隨著電子元器件的輕、薄、短、小化，混合型集成度大幅度增加，其功率和密度也隨之增大，使得單位體積的發(fā)熱量迅速增加，這對新一代線路板的散熱提出了新的要求，陶瓷基板作為一種具有高導熱系數(shù)的基板，廣泛應用功率電子、電子封裝、混合微電子與多芯片模塊等領域，尤其是手機基板對于高導熱率陶瓷材料的應用市場需求很大。
高導熱率陶瓷基板材料對其基本特性的要求是：導熱系數(shù)大、機械強度高、高絕緣性、熱膨脹系數(shù)與半導體相當、易于同金屬導體復合以及化學穩(wěn)定性好、介電損耗小。目前已投入使用的高導熱陶瓷基板材料有Si3N4、AlN、SiC和BeO等。從性能、成本和環(huán)保等因素考慮，BeO基板生產(chǎn)成本高且有劇毒，其應用都受到限制。而AlN陶瓷雖然無毒、高溫穩(wěn)定性好、導熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，但是其高成本限制了廣泛應用。目前來看，Si3N4陶瓷具有硬度大、強度高、熱膨脹系數(shù)小、高溫蠕變小、抗氧化性能好、熱腐蝕性能好、摩擦系數(shù)小等諸多優(yōu)異性能，成為最具有吸引力的高強高導熱電子器件基板材料。
參考資料：
江期鳴、黃惠寧等.高導熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與前景分析
張偉儒.氮化硅：未來陶瓷基片材料的發(fā)展趨勢
倪紅軍.高導熱AlN陶瓷基片制備技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
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