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2026
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03
行业新知丨采用DLP技术制备带有嵌入式微通道的α- Si₃N₄ / Si₃N₄w / SiCN陶瓷基底
作者：
电力电子器件正朝着高功率、高集成度和小型化的方向发展因此，对这些功率器件散热基板的要求也日益提高。同时，器件结构的复杂性也需要更有效的散热方法来满足这些要求，为了满足日益增长的功率器件集成化和高散热封装需求。近期，来自山东理工大学张丽娟教授以及温光武教授带领研究团队在 《Journal of the European Ceramic Society》 期刊发表题为《Fabrication of α-Si3N4/Si3N4w/SiCN ceramic substrate with embedded microchannel by DLP》的研究成果。本研究采用DLP 3D打印技术作为制备集成嵌入式微流控SiCN陶瓷基底的预处理措施。通过优化混合填料中Si₃N₄晶须的含量，成功制备了收缩率极低且断裂韧性极高的SiCN复合陶瓷。
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研究内容
该研究围绕高功率电子器件散热需求，提出并验证了一种基于DLP光固化3D打印的SiCN复合陶瓷基板一体化制备路径。整体研究过程可概括为“材料体系设计—成形工艺构建—结构与性能优化—器件级验证”四个关键阶段。
首先，在材料设计层面，研究者以聚硅氮烷（PSZ）为前驱体，引入α-Si₃N₄颗粒与Si₃N₄晶须构建复合填料体系，通过调控两者比例（总填充量20 wt%），系统研究不同形貌填料对浆料流变性、打印适性及烧结行为的影响。该策略旨在在抑制PDC陶瓷收缩的同时，实现力学性能与导热性能的协同优化。
其次，在成形工艺上，采用DLP光固化技术进行逐层构建，设置405 nm光源、50 μm层厚及10 s曝光时间，实现复杂结构绿色体的高精度成形。随后经200 ℃脱脂与1100 ℃氮气气氛下热解，实现由有机前驱体向SiCN陶瓷的转化，并完成致密化过程。同时，通过结构一体化设计，在打印阶段直接构建内部微流道与表面电路槽，避免传统牺牲模板法带来的缺陷问题。
在性能优化阶段，通过系统表征不同晶须含量对微观结构及宏观性能的影响，发现5 wt% Si₃N₄晶须为最优添加量：一方面，晶须桥联与拔出机制显著提升断裂韧性（达4.1 MPa·m¹ᐟ²）；另一方面，构建有效导热路径，使热导率提升至14.8 W/m·K，同时避免高含量晶须团聚引发的孔隙缺陷。此外，通过水淬热冲击实验与CT分析，揭示晶须诱导裂纹偏转与多裂纹耗能机制，使材料由灾变断裂转变为渐进损伤，显著提高热震稳定性。
最后，在器件级验证方面，设计蛇形微流道结构并开展有限元仿真与实验验证。结果表明，液冷条件下基板最高温度由400 ℃降至约126 ℃，显著提升散热效率。同时，通过气密性测试与循环流动实验，验证了微通道结构的致密性与可靠性，实现了结构—性能—功能的一体化闭环验证。
以下为文章的研究方法及数据：
图1，α -Si₃N₄/Si₃N₄ w /SiCN DLP 打印样品在 1100 °C 热处理后的表面形貌（在酸性溶液中蚀刻）
△图 3. DLP打印样品的α -Si₃N₄/Si₃N₄ w /SiCN 陶瓷的断裂韧性 (a) 和弯曲强度 (b)
图4，DLP打印的 α -Si₃N₄/Si₃N₄ w /SiCN陶瓷样品的断裂表面
图5，α -Si₃N₄/Si₃N₄ w /SiCN 在 1100 °C 热处理后的 TEM (a) 和 HRTEM (b)。
结语
该研究通过优化α-Si₃N₄颗粒与Si₃N₄晶须复合填料体系，成功制备出高性能SiCN陶瓷基板，并实现内嵌微流道的一体化成形。结果表明，当Si₃N₄晶须添加量为5 wt%时，材料综合性能最佳：断裂韧性达到4.1 ± 0.1 MPa·m¹ᐟ²，较未添加晶须提升约1.32倍；抗弯强度提升至369.8 ± 12.1 MPa。同时，在800 ℃下热导率达14.80 ± 0.07 W/m·K，为基体材料的约2倍。
在热稳定性方面，复合陶瓷的临界热震温差提高至730 ℃，较无晶须体系（621 ℃）提升119 ℃，表现出优异的抗热冲击能力。工艺上实现了线收缩率约25.6 ± 0.2%的可控烧结，保证结构精度。
结构功能验证显示，DLP打印成功制备出直径约467 μm的蛇形微流道陶瓷基板，具备良好气密性与界面结合性能。热仿真结果表明，在液冷条件下，基板最高温度由400 ℃显著降低至约126 ℃，验证了其高效散热能力。
综上，该研究实现了结构复杂性、力学性能与散热功能的协同优化，为高功率电子器件散热陶瓷基板提供了可行技术路径。
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