目前碳化硅（SiC）是國內(nèi)外研究較為活躍的導熱陶瓷材料。SiC的理論熱導率非常高，有些晶型可達到270W/mK，在非導電材料中已屬佼佼者。例如，在半導體器件的基底材料、高導熱陶瓷材料、半導體加工的加熱器和加熱板、核燃料的膠囊材料以及壓縮機泵的氣密封環(huán)中，都可以看到SiC導熱性能的應用。

研磨盤、夾具均是半導體工業(yè)中硅晶片生產(chǎn)的重要工藝裝備。研磨盤若使用鑄鐵或碳鋼材料，其使用壽命短、熱膨脹系數(shù)大，在加工硅晶片過程中，特別是高速研磨或拋光時，由于研磨盤的磨損和熱變形，使硅晶片的平面度和平行度難以保證。采用碳化硅陶瓷的研磨盤由于硬度高而磨損小，且熱膨脹系數(shù)與硅晶片基本相同，因而可以高速研磨拋光。

另外，在硅晶片生產(chǎn)時，需要經(jīng)過高溫熱處理，常使用碳化硅夾具運輸，其耐熱、無損，可在表面涂敷類金剛石（DLC）等涂層，可增強性能，緩解晶片損壞，同時防止污染擴散。

此外，作為第三代寬帶隙半導體材料的代表，碳化硅單晶材料具有禁帶寬度大（約為Si的3倍）、熱導率高（約為Si的3.3倍或GaAs的10倍）、電子飽和遷移速率高（約為Si的2.5倍）和擊穿電場高（約為Si的10倍或GaAs的5倍）等性質(zhì)。SiC器件彌補了傳統(tǒng)半導體材料器件在實際應用中的缺陷，正逐漸成為功率半導體的主流。

隨著科技的不斷發(fā)展，碳化硅陶瓷在半導體領域的應用需求量急劇增長，而高熱導率是其應用于半導體制造設備元器件的關鍵指標，因此加強高導熱碳化硅陶瓷的研究至關重要。減少晶格氧含量、提高致密性、合理調(diào)控第二相在晶格中的分布方式是提高碳化硅陶瓷熱導率的主要方法。

目前，我國有關高導熱碳化硅陶瓷的研究較少，且與世界水平相比尚存在較大差距，今后的研究方向包括：

● 加強碳化硅陶瓷粉體的制備工藝研究，高純、低氧碳化硅粉的制備是實現(xiàn)高熱導率碳化硅陶瓷制備的基礎；

● 加強燒結助劑的選擇及其相關理論研究；

● 加強高端燒結裝備的研發(fā)，通過調(diào)控燒結工藝得到合理的顯微結構是獲得高熱導率碳化硅陶瓷的必備條件。

改善SiC陶瓷熱導率的關鍵是降低聲子散射頻率，提升聲子平均自由程。通過降低SiC陶瓷的氣孔率和晶界密度、提升SiC晶界純潔度、減少SiC晶格雜質(zhì)或晶格缺陷、增加SiC中熱流傳輸載體將有效提升SiC的熱導率。目前，優(yōu)化燒結助劑種類及含量、高溫熱處理等是改善SiC陶瓷熱導率的主要措施。

① 優(yōu)化燒結助劑種類及含量

制備高導熱SiC陶瓷時常需添加各種燒結助劑。其中，燒結助劑的種類及含量對SiC陶瓷熱導率的影響較大，如Al₂O₃體系燒結助劑中的Al或O元素易固溶進SiC晶格，產(chǎn)生空位和缺陷，導致聲子散射頻率增大。此外，若燒結助劑含量較低，材料難以燒結致密化，而燒結助劑含量較高將導致雜質(zhì)和缺陷增多，過量液相燒結助劑還可能抑制SiC晶粒長大，降低聲子平均自由程。因此，為制備得到高導熱SiC陶瓷，需在滿足其燒結致密的前提下盡可能減少燒結助劑含量，且盡量選擇難溶于SiC晶格的燒結助劑。

目前，以BeO為燒結助劑的熱壓燒結SiC陶瓷具有最大常溫熱導率(270W·m^-1·K^-1)。但BeO為劇毒材料且具有致癌性，不適合實驗室或工業(yè)領域的廣泛應用。Y₂O₃-Al₂O₃體系的最低共熔點為1760℃，是SiC陶瓷常見的液相燒結助劑，但由于Al³⁺易固溶進SiC晶格，因此以該體系為燒結助劑時，SiC陶瓷的常溫熱導率均小于200W·m^-1·K^-1。

Y，Sm，Sc，Gd和La等稀土元素不易溶于SiC晶格，且具有較高氧親和力，能有效降低SiC晶格氧含量，因此Y₂O₃-RE₂O₃(RE=Sm，Sc，Gd，La)體系是制備高導熱(>200W·m^-1·K^-1)SiC陶瓷的常用燒結助劑。以Y₂O₃-Sc₂O₃體系燒結助劑為例，Y3+與Si4+的離子偏差值較大，兩者不發(fā)生固溶，而1800~2600℃下Sc在純SiC中的溶解度較小，約為(2~3)×1017atoms·cm^-3。

② 高溫熱處理

對SiC陶瓷進行高溫熱處理，有利于消除晶格缺陷、位錯和殘余應力，促進材料中部分非晶體向晶體的結構轉(zhuǎn)變，減弱聲子散射作用。此外，高溫熱處理可有效促進SiC晶粒生長，最終提升材料的熱學性能，如SiC陶瓷經(jīng)1950℃高溫熱處理后，其熱擴散系數(shù)由83.03mm²·s^-1增加至89.50mm2·s^-1，常溫熱導率由180.94W·m^-1·K^-1增加至192.17W·m^-1·K^-1。高溫熱處理有效改善了燒結助劑對SiC表面及晶格的除氧能力，并使SiC晶粒間連接更緊密。經(jīng)高溫熱處理后，SiC陶瓷的常溫熱導率得到了明顯提升。

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