[導讀] 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、介電常數和介質損耗低、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。
新能源車的電機驅動部分，最核心的元件就是IGBT。IGBT約占電機驅動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅動系統(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的質量很大一部分也決定了整車的能源效率。
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、介電常數和介質損耗低、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、智能電網等。
2 氮化硅陶瓷基板的研究現狀
氮化硅陶瓷基板憑其優(yōu)異性能吸引了眾多國內外學者與研究機構的關注。Kitayama等人于2000年發(fā)現氧擴散進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“熔硅”，更容易導致具有薄片狀特征的氮化硅陶瓷基板產生變形和開裂。為了實現較快速度氮化的同時，避免熔硅現象的出現，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）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，為了實現大規(guī)模生產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。
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)，粘結劑在陶瓷粉末之間形成網狀結構，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彎曲、開裂、起皺、厚薄不均勻等現象。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 燒結工藝
Si3N4陶瓷是一種強共價鍵化合物，很難通過固相燒結達到致密，所以一般采用液相燒結來制備。對于高性能Si3N4陶瓷的制備而言，最首要的是使其在燒結過程中達到致密。Si3N4陶瓷材料常見的燒結方式有常壓燒結、熱壓燒結、反應燒結、燒結反應重燒結、氣壓燒結、熱等靜壓燒結等幾種。
氣壓燒結(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晶型的快速轉變，有助于提高氮化硅陶瓷的熱導率。放電等離子燒結(SPS)工藝是一種實現壓力場、溫度場、電場共同作用的試樣燒結方式，具有升溫速率快、燒結溫度低、燒結時間短等優(yōu)點。燒結反應重燒結(SRBSN)由于是以Si粉為原料經過氮化得到多孔的Si3N4燒結體，進而再燒結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。在實現氮化硅陶瓷大規(guī)模生產時，需要考慮成本、操作難易程度和生產周期等因素，因此找到一種快速、簡便、低成本的燒結工藝是關鍵。
4 氮化硅基板產業(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在國內還沒有企業(yè)真正完成氮化硅基板產業(yè)化，各高校、研究院所和企業(yè)都在積極的進行產業(yè)化研究，目前實驗室研制的Si3N4基板已達到或接近日本產品水平，國內多家企業(yè)正在加快產業(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、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10萬片（114mm×114mm）中試生產線。
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.新材料產業(yè).2021.
【2】廖圣俊，等.高導熱氮化硅陶瓷基板研究現狀.材料導報.2020.
【3】李文杰.硅粉原位氮化結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.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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