4.2.3 碳化硅晶须的应用
1）高级耐火材料、生物医用等
利用碳化硅晶须的高强度、耐摩擦、耐高温等特性，可以将其制造为切削刀具、高温元件、轴承、高温涡轮转子、发动机、整流罩等零部件；利用碳化硅晶须的高导热、高绝缘等特性，可以将其制造为集成电路基片、封装材料、电容器等；此外，碳化硅晶须耐腐蚀、耐摩擦，还可以制造人造骨、人造关节、人造牙齿等。碳化硅晶须可生产多种产品，被广泛应用在电子、通信、汽车、机械、医疗、能源、航空、国防等多个领域。
2）功能陶瓷
与晶须不同，陶瓷是一块整体材料，因此和用陶土、瓷土制陶器、瓷器一样，有一个烧结的过程。例如，用亚微米级碳化硅粉，添加碳化硼、氧化铝等在加压条件下烧至1 950～2100℃成型，就可得到高致密碳化硅陶瓷。碳化硅陶瓷在常温性能和高温性能方面，都是现有陶瓷材料中的上品。碳化硅陶瓷的用途见表4.5。
表4.5 碳化硅陶瓷的用途
3）用于金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料增强增韧
由于碳化硅晶须具有很多优良性能，被广泛应用于金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料的增强体，特别是需要高温、高强和高模材质的增韧场合，SiCw增强增韧金属基、陶瓷基及聚合物基等先进复合材料已经广泛应用于机械、化工、国防、能源等领域［Trans.Nonferr.Metals Soc.2006（16）：483-487］，其中SiC增强聚合物基复合材料可以吸收或透过雷达波，可作为雷达天线罩、导弹及飞机的隐身结构材料。而且，有研究表明SiCw具有优异的电场发射特性［Surf.Coat.Technol.2003（168）：37-42］。航天装备如导弹、火箭、高超声速飞行器等一般飞行速度较高，飞行过程表面温度高，对防热要求较高。导弹在大气中飞行速度很高（接近或者远超过声速），此时由于导弹气动加热，其表面蒙皮及弹头温度会快速升高。根据驻点温度计算公式，假设导弹环境温度为220 K，初步计算不同飞行速度下导弹蒙皮的温度，当导弹飞行速度达4～10马赫时，表面温度范围可达445～3 173℃，随着马赫数的提高，表面温度急剧上升，普通的铝合金甚至钛合金都难以满足要求。例如，美国改进型超声速海麻雀导弹在发射后8～10 s，弹体蒙皮温度可达371℃，这种环境下2024铝合金强度会降低90%，难以满足要求。因此，对于高速飞行的航天装备和导弹，需要采用各种不同类型的陶瓷材料及复合材料来实现防热，如美国X-47B高超声速飞行器使用了碳/陶瓷复合材料用来防热，耐温可达1700℃。航天领域的发动机涡轮转子，飞机的外壳，民用领域高速切削刀具、陶瓷刀具等高温元件和特种部件。例如，美国丽人公司的晶须陶瓷刀片WG700，适合加工镍基、钴基超合金和硬质钢材，高速切削时具有超强的耐热性和耐磨性，刀具使用寿命是非涂层陶瓷刀具的3倍以上，因此它在军事工业和民用工业中需求量巨大。在陶瓷材料中加入碳化硅晶须来改善陶瓷材料的脆性，增强陶瓷材料的韧度和强度，使陶瓷基复合材料能显著提高冲击韧性和抗震性，降低陶瓷的脆性，同时陶瓷有保护纤维，使之在高温下不被氧化，因此具有很高的高温强度和弹性模量。
碳化硅晶须是金属基、陶瓷基、高分子聚合物基复合材料增强增韧的最好的材料，作为增韧材料，其具体应用领域及范围见表4.6。
表4.6 碳化硅晶须增强复合材料的应用领域和范围
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（续表）
4）磨料及冶金原料
可用作磨料。例如，在树脂结合剂金刚石砂轮中加入碳化硅晶须，可大大改善结合剂和砂轮的强度、硬度、耐热性、抛光性等，日本某公司已有在树脂结合剂金刚石砂轮中加入碳化硅晶须的产品上市。碳化硅晶须具有独特的机械与物理化学特性如高硬度、高强度（韧性）、优良的耐磨性，因而被广泛地应用于金属、陶瓷、塑料和复合材料的增强增韧，以提高复合材料的强度，防止收缩与变形。碳化硅晶须的形状如针状，特别是其韦氏硬度接近金刚石且韧性好、耐磨损，而且与磨粒相比，即使直径与磨粒粒径相同，有一定长度的晶须与结合剂具有相对较大的结合面积和结合强度，从而大大提高了砂轮的使用寿命。2016年，深圳市某公司已有能力量产高纯、高质量、高含量的碳化硅晶须，填补了国内在此市场的空缺。
5）制备微孔陶瓷
以碳化硅晶须为主要原料，不添加任何造孔剂，采用传统的烧结工艺，经过分离、提纯和分级，选择直径为0.2～0.5μm、长度为20～200μm的碳化硅晶须作原料，与烧结助剂按一定比例混合均匀，采用干压成型工艺得到浅绿色的坯体。坯体干燥后，放入高温电炉中，在1700℃下和惰性气体中烧结得到碳化硅微孔陶瓷制品，其孔隙率高于56%、平均孔径为3.8μm、弯曲强度为158 MPa的碳化硅微孔陶瓷。制备出的微孔陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好等特点，在食品加工、生物和医药制品的分离精制、原料精制、污水处理等方面得到了广泛的应用。与其他材质相比，碳化硅微孔陶瓷还具有高温强度高、高压下不变形、抗热冲击力好、密度小等优良性能，可以用作吸声材料、传感器材料、发光材料以及环境工程材料，并且凭借其优良的过滤效果和可再生性，被认为是最理想的高温陶瓷过滤器候选材料之一。
6）3D集成电路封装
基于芯片集成度、功能和性能要求，主流晶圆技术节点已降低至28～16 nm，甚至已跨入10～7 nm制程阶段。然而随着晶圆技术节点不断逼近原子级别，实现等比例缩减的代价变得非常高，摩尔定律即将失效的声音层出不穷。如何通过封装技术的发展创新来延续摩尔定律，满足未来通信芯片及消费性电子的需求已成为新的热点。目前业界的前沿封装技术包括以晶圆级封装（WLCSP）和载板级封装（PLP）为代表的2.1D封装，以硅转接板和硅桥为代表的2.5D封装，以及基于三维硅通孔（3DTSV）工艺在Z方向上堆叠芯片的3D封装。对电子元器件进一步小型化、集成密度更高、功耗更低、性能更好的要求推动了3D集成电路的发展。3D封装在集成度、性能、功耗等方面更具优势，同时设计自由度更高，开发时间更短，是各封装技术中最具发展前景的一种。硅中间层技术是三维集成电路中最有前途的解决方案之一，如图4.3所示。
图4.3 碳化硅晶须用于3D集成电路
在3D集成电路封装中，根据材料的不同，RDL电介质主要分为沉积无机电介质和旋涂聚合物电介质两大类。沉积的无机电介质包括SiO2、Si3N4、AlN等，旋涂聚合物电介质包括聚酰亚胺（PI）、苯并环丁烯（BCB）、聚芳醚、蚕丝、聚硅氧烷等。旋涂聚合物电介质具有成本低、相对介电常数低（导致低成本）等优点，在3DIC集成中得到广泛应用寄生电容和低阻电容延迟以及平面化（特别是多层金属化）的便利性。然而，使用聚合物作为RDL介质有几个缺点。一个严重的缺点是它的导热性差，对热流起到了热屏障的作用。随着集成密度的增加，会产生更多的局部热，可靠性问题变得至关重要。聚合物电介质的低导热性加剧了与热集中和热应力有关的问题。值得注意的是，尽管介电层在厚度上只占Si中间层的一小部分，但它通过热传导路径提供了大部分的热阻。根据Pinel等人的研究，3μm厚的聚合物介质膜的热阻（2.31℃/W）比500μm厚的Si衬底（0.46℃/W）的热阻大4倍。聚合物基片的介电电阻比聚合物的介电电阻高80%。因此，提高聚合物电介质的热导率对Si中间层的散热至关重要。与中间层衬底（Si：2.6×10-6/℃）和布线层（Cu：17×10-6/℃）相比，聚合物电介质的另一个缺点是其热膨胀系数（CTE）（例如，PI：30×10-6～60×10-6/℃）。RDL介质、基板和布线层之间的CTE失配加剧了3D集成中的热应力。因此，具有高热导率和低热膨胀系数的旋涂聚合物基电介质在3D集成电路中具有很好的应用前景。目前，有许多研究集中在通过添加高导热性粒子来改善聚合物的导热性（由于粒子的热膨胀系数较低，也会导致热膨胀系数下降）。当碳纳米管浓度为1.5%时，热导率提高了80%。Anri等开发了一种新型聚合物复合材料，作为热界面材料，硅树脂基体和金刚石和六角氮化硼血小板填充物。当填料浓度为90%（质量分数）时，复合材料的最大热导率为6.1 W/（m·K），与Plnanotube（CNT）复合材料的0.22 W/（m·K）相比，PI/AlN复合材料的热导率提高了0.8 W/（m·K）。从这些研究中可以得出结论，加入高导热粒子可以显著提高聚合物的热导率。然而，这些研究中提出的复合材料主要用于键合界面、热界面、表面涂层或电子封装等领域，其中大部分不适合用作RDL介质。例如，在许多研究中，碳纳米管填充物会破坏复合材料的绝缘性能，当复合材料用作RDL介质时，会产生较大的泄漏电流。对于Anri开发的复合材料，金刚石颗粒的尺寸（大于9μm）对于薄介电层来说太大，对于旋涂工艺来说，复合材料的黏度太高（由于填料浓度太高）。如Xie所说，AlN粒子的加入提高了复合材料的热导率，但同时也显著提高了材料的相对介电常数，这可能会导致严重的信号延迟问题。因此，复合材料除了提高热导率和降低CTE外，还必须保持其良好的绝缘性能、较低的相对介电常数、良好的旋涂流动性和足够的机械强度等电性能和机械性能。选择聚酰亚胺作为基体是因为其优异的性能，包括高断裂伸长率、良好的热稳定性和化学稳定性、较低的相对介电常数和良好的绝缘性能。采用金刚石纳米颗粒（DN）和碳化硅晶须作为增强材料。之所以选择DN是因为它具有高导热性、相对较低的电常数和高电阻率。与其他晶须相比，碳化硅晶须具有更好的热稳定性和化学稳定性、更高的强度、更高的弹性模量和更好的耐磨性。将DN和碳化硅晶须分散在基体中形成颗粒晶须网络结构，提高基体的热导率，降低CTE，增强基体的机械强度。