中國粉體網(wǎng)訊 新能源車的電機驅(qū)動部分,，最核心的元件就是IGBT,。IGBT約占電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅(qū)動系統(tǒng)占整車成本的15-20%,，也就是說IGBT占整車成本的7-10%,，是除電池之外成本第二高的元件，IGBT的質(zhì)量很大一部分也決定了整車的能源效率,。
圖片來源：比亞迪官網(wǎng)
IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管,，電動汽車用IGBT模塊的功率導電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對電導率和熱導率有較高的要求,，車載環(huán)境中還要承受一定的振動和沖擊力,，機械強度要求高。近年來,，Si3N4陶瓷基板以其硬度高,、機械強度高、耐高溫和熱穩(wěn)定性好,、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗低,、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異的性能,，被認為是綜合性能最好的陶瓷材料,，在IGBT模塊封裝中得到青睞，并逐步替代Al2O3和AlN陶瓷基板,。
1 氮化硅陶瓷基板性能優(yōu)勢
目前市場上所用的陶瓷材料主要有氮化鋁,、氧化鋁和氮化硅。相較于氧化鋁和氮化鋁,，氮化硅陶瓷具有更卓越的力學性能,；同時還具備較高的熱導率以及極好的熱輻射性和耐熱循環(huán)性。采用氮化硅陶瓷作為基板,，能夠確保電路板具有較大的撓度,、抗折斷強度、抗熱震性和熱傳導性,，從而保證大功率模塊在使用過程中可靠性,，優(yōu)異的性能使氮化硅成為一種優(yōu)異的電子封裝基板材料。
氮化硅基片（圖片來源：中材高新氮化物陶瓷有限公司）
氮化硅陶瓷基板更適用于機械振動大,、熱沖擊大,、電流沖擊大以及具有高可靠性高穩(wěn)定性要求的應用場合，如航天航空,、軌道交通,、電動汽車、光伏逆變,、智能電網(wǎng)等,。
2 氮化硅陶瓷基板的研究現(xiàn)狀
氮化硅陶瓷基板憑其優(yōu)異性能吸引了眾多國內(nèi)外學者與研究機構(gòu)的關注,。Kitayama等人于2000年發(fā)現(xiàn)氧擴散進Si3N4晶格對于其熱導率影響很大，所以低氧含量是提高氮化硅陶瓷熱導率的關鍵,。
近年來,，上海硅酸鹽研究所、清華大學等制備的氮化硅陶瓷熱導率最高可達154W·m-1·K-1左右,，也歸因于使用氧含量較低的氮化硅粉體原料,。然而高質(zhì)量氮化硅粉的制備方法相對復雜，成本較高,，這大大限制了氮化硅粉直接制備氮化硅陶瓷基板的產(chǎn)業(yè)化研究,。
然而，Zhou等利用硅粉氮化的方法制備了熱導率高達177W·m-1·K-1的氮化硅陶瓷,。另外,，隨著太陽能技術的發(fā)展，高純硅粉制備技術也已經(jīng)非常成熟,，粉體氧含量可以控制在較低水平,。因此，采用高純硅粉制備氮化硅陶瓷基板逐漸成為一條可行的途徑,。
為了進一步降低成本和提高性能,，采用高純硅粉流延后直接氮化燒結(jié)被業(yè)界公認為是較為合理的低成本技術路線。
然而,，硅和氮之間的反應是一個放熱反應過程,。由于在反應過程中產(chǎn)生大量的熱量，很容易引發(fā)硅的熔化（熔硅）,。再則,，由于陶瓷基板的尺寸大（大于100mm×100mm），厚度�,。s0.32mm）,，而純硅粉在氮化過程中，如果控制不當,，而出現(xiàn)“熔硅”，更容易導致具有薄片狀特征的氮化硅陶瓷基板產(chǎn)生變形和開裂,。為了實現(xiàn)較快速度氮化的同時,，避免熔硅現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證氮化硅陶瓷基板的高良品率,，可以通過對催化劑和燒結(jié)助劑的研究,，尋找合適的添加劑，另一方面,，還可以采取硅粉結(jié)合氮化硅粉的方式制備氮化硅,。由于硅粉氮化大量放熱,，在硅粉中加入氮化硅作為稀釋劑，抑制熔硅的同時,，也促進了硅粉氮化,。
3 氮化硅陶瓷基片制備工藝
3.1成型工藝
常見的氮化硅陶瓷基板成型方式主要有軋膜成型、干壓成型,、擠壓成型,、熱壓（燒結(jié)）成型、流延成型等,。目前,，商業(yè)用途的氮化硅陶瓷基板的厚度范圍是0.3～0.6mm，為了實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)氮化硅陶瓷基板材料,，通常選用流延成型制備氮化硅陶瓷基板材料,，其工藝流程圖如下圖。
流延成型工藝流程圖
先在陶瓷粉體中加入分散劑球磨,，避免顆粒團聚,，并使溶劑（一般分為水基溶劑或有機溶劑）潤濕粉體；然后加入粘結(jié)劑和增塑劑,，通過一定時間的二次球磨獲得穩(wěn)定性好,、均一的漿料；再將漿料進行真空脫泡,，獲得黏度合適的漿料,；經(jīng)過過濾以及一定時間的靜置陳化，使?jié){料更穩(wěn)定,；通過流延機流延成具有一定面積的平整素坯膜,；最后進行干燥，使溶劑蒸發(fā),，粘結(jié)劑在陶瓷粉末之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，得到厚膜生坯。
流延成型也可以控制晶粒定向排列,，促進晶粒定向生長,，從而提高在晶粒生長方向的熱導率。流延成型因其成本低,、工藝穩(wěn)定性高,、成品率高被廣泛應用于薄片陶瓷的制造。
雖然流延成型相比于其他成型工藝有著獨特的優(yōu)勢,，但是在實際操作中由于應力的釋放機制不同,，容易使流延片干燥時出現(xiàn)彎曲、開裂,、起皺,、厚薄不均勻等現(xiàn)象,。為了制備出均勻穩(wěn)定的流延漿料和干燥后光滑平整的流延片，在保持配方不變的情況下,，需要注意漿料的潤濕性,、穩(wěn)定性和坯片的厚度等因素。
3.2 燒結(jié)工藝
Si3N4陶瓷是一種強共價鍵化合物,，很難通過固相燒結(jié)達到致密,，所以一般采用液相燒結(jié)來制備。對于高性能Si3N4陶瓷的制備而言,，最首要的是使其在燒結(jié)過程中達到致密,。Si3N4陶瓷材料常見的燒結(jié)方式有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié),、反應燒結(jié),、燒結(jié)反應重燒結(jié)、氣壓燒結(jié),、熱等靜壓燒結(jié)等幾種,。
氣壓燒結(jié)(GPS)能在氮氣的氛圍中通過加壓、加熱使氮化硅迅速致密,，促進α→β晶型的快速轉(zhuǎn)變,，有助于提高氮化硅陶瓷的熱導率。放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝是一種實現(xiàn)壓力場,、溫度場,、電場共同作用的試樣燒結(jié)方式，具有升溫速率快,、燒結(jié)溫度低,、燒結(jié)時間短等優(yōu)點。燒結(jié)反應重燒結(jié)(SRBSN)由于是以Si粉為原料經(jīng)過氮化得到多孔的Si3N4燒結(jié)體,，進而再燒結(jié)形成致密的氮化硅陶瓷,，比一般以商用α-Si3N4為原料制備的氮化硅陶瓷具有更低的氧含量而受到研究者的青睞。在實現(xiàn)氮化硅陶瓷大規(guī)模生產(chǎn)時,，需要考慮成本,、操作難易程度和生產(chǎn)周期等因素，因此找到一種快速,、簡便,、低成本的燒結(jié)工藝是關鍵。
4 氮化硅基板產(chǎn)業(yè)化進展
目前我國的商用高導熱Si3N4陶瓷基片與國外還是存在差距�,，F(xiàn)在國內(nèi)還沒有企業(yè)真正完成氮化硅基板產(chǎn)業(yè)化,，各高校,、研究院所和企業(yè)都在積極的進行產(chǎn)業(yè)化研究,，目前實驗室研制的Si3N4基板已達到或接近日本產(chǎn)品水平,，國內(nèi)多家企業(yè)正在加快產(chǎn)業(yè)化進程。同時,，由于Si3N4基板還需要進行覆銅處理以及應用端考核,，因此國內(nèi)Si3N4基板要達到應用化水平還有一段距離。
中材高新氮化物陶瓷有限公司（以下簡稱“中材高新氮化物公司”）在“十三五”國家重點研發(fā)計劃支持下,，系統(tǒng)研究并突破了高導熱Si3N4基板制備的技術關鍵和工程化技術問題,，通過Si3N4粉體改性處理、晶格氧含量及晶界相控制,、微觀組織定向排布等多種技術組合,，以及突破了材料均化、成型,、燒結(jié),、表面處理及覆銅除了等多個制備工藝技術，研制出及高導熱,、高可靠性于一體綜合和性能優(yōu)異的半導體絕緣基板材料,，建立起年產(chǎn)10萬片（114mm×114mm）中試生產(chǎn)線。
參考來源：
【1】張偉儒.第3代半導體碳化硅功率器件用高導熱氮化硅陶瓷基板最新進展.新材料產(chǎn)業(yè).2021.
【2】廖圣俊,，等.高導熱氮化硅陶瓷基板研究現(xiàn)狀.材料導報.2020.
【3】李文杰.硅粉原位氮化結(jié)合氮化硅粉制備氮化硅陶瓷及基板.2018.
【4】斯利通陶瓷線路板《氮化硅陶瓷基板應用——新能源汽車核心IGBT》.2021.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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