氮化硅（Si₃N₄）的本征热导率大约320 W/(m·K)，是一种具有高导热性能及优越机械特性的结构陶瓷材料。在常温下，它表现出极高的稳定性，因此成为当代广受欢迎的半导体陶瓷基板封装材料。尽管如此，氮化硅的实际热导率与其理论值之间存在显著差异。本文旨在探究导致这一差距的因素。

１ 晶格氧

Si₃N₄的热导主要依赖于声子的传导，而晶格缺陷如空位、层错及晶间杂质的存在会导致声子的散射加剧，从而降低Si₃N₄的热导率。

晶格氧是影响Si₃N₄热导率的关键因素。在氧原子进入Si₃N₄的晶格后，会形成Si空位，这样显著缩短了声子运动的平均自由程，进而降低Si₃N₄的热导率。为了进一步提升Si₃N₄的热导率，可以通过降低原材料中的氧含量来提高烧结活性，同时保持原材料的粒径较小，避免引入额外的氧杂质。

Si₃N₄常用的烧结助剂也往往会引入晶格氧。同时，在液相中会形成热导率通常低于1 W/(m·K) 的晶间第二相，这也对 Si₃N₄ 的实际热导率产生负面影响。研究发现，当采用稀土氧化物作为烧结助剂时，氮化硅的晶格氧含量会因元素离子半径的减小而降低，在确保烧结致密度和晶粒尺寸良好的前提下，尽量实现低温烧结，以降低氮化硅陶瓷基板的生产成本。

此外，引入适量的还原性碳粉可减少二次相的生成，促进晶格的纯净度，同时避免过量游离碳的出现，从而提高热导率。

2、氮化硅的晶体结构

氮化硅是一种具有强共价键的化合物，其相对分子质量为140.68,常见的晶体结构有 α-Si₃N₄ 和 β-Si₃N₄，均归属于六方晶系。因氮化硅陶瓷的烧结温度通常在 1800 ℃ 以上，β-Si₃N₄ 通常是工业应用中氮化硅陶瓷产品的主要晶相。

（1）β-Si₃N₄晶粒生长驱动力在α-Si₃N₄转变为β-Si₃N₄的相变过程中，未转变的α-Si₃N₄会显著影响其热导率。这表明，为了提高β-Si₃N₄的导热性能，有必要通过促进α-Si₃N₄向β-Si₃N₄的晶型转变，来激励β-Si₃N₄的形核与生长。  

（2）β-Si₃N₄ 晶粒生长形貌β-Si₃N₄晶粒尺寸的增加，热导率也明显提升。延长退火时间同样能够显著增强氮化硅的热导性能。然而，当晶粒达到某个临界尺寸后，进一步促进晶粒的增大对β-Si₃N₄的导热性并不会产生明显的提升。

3、致密度致密度对氮化硅的热导性能具有显著影响。

随着气孔率的增加，氮化硅的实际热导率明显降低。此外，具有较高热导率的氮化硅陶瓷通常也伴随着较大的密度和热扩散系数。使用稀土氧化物可以帮助实现高致密度的氮化硅陶瓷。

4、烧结工艺氮化硅陶瓷的致密化需要通过液相烧结实现，6种氮化硅陶瓷烧结工艺对比如下：

在不同的烧结工艺和烧结条件下，Si₃N₄的致密度会有所不同。因此，寻找合适的烧结方法，并结合有效的手段降低晶格氧含量，是获取高热导率Si₃N₄陶瓷的关键所在。