Part1高功率模塊“戰(zhàn)斗基”：氮化硅基板

半導(dǎo)體功率模塊是電力電子領(lǐng)域中最重要的功率器件之一，應(yīng)用于電動(dòng)汽車、軌道交通等領(lǐng)域。其中，用于封裝功率模塊的覆銅基板是不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，而覆銅基板中的絕緣層通常是陶瓷材料。目前，市場(chǎng)上主要流行使用的覆銅陶瓷基板材料有兩種：Al₂O₃和AlN。

在覆銅過(guò)程中，因?yàn)榻饘巽~和陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)有較大的差別，所以在高溫條件下的覆銅之后，容易在在陶瓷基板中產(chǎn)生較大的附加熱應(yīng)力。并且，由于電子封裝基板自身的周期性使用特性，在頻繁的升溫和降溫過(guò)程中也會(huì)陸續(xù)地在陶瓷基板上產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)時(shí)間使用后在基板內(nèi)部很容易有微小的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，故很容易讓封裝基板產(chǎn)生破裂從而失效。

圖 高速奔跑的和諧號(hào)列車，需要高可靠度的零配件支持

同時(shí)當(dāng)半導(dǎo)體功率模塊使用在車輛等存在頻繁震動(dòng)的移動(dòng)設(shè)施上，力學(xué)性能不足的陶瓷基板容易出現(xiàn)斷裂，降低了半導(dǎo)體功率模塊在使用過(guò)程中的可靠性。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通常使用240K-500K的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)試樣的抗熱震性能，普通的Al2O3和AlN一般在經(jīng)受了50次熱循環(huán)之后就會(huì)產(chǎn)生裂紋，在經(jīng)歷了500次熱循環(huán)之后會(huì)發(fā)生銅電路的脫落，不能夠滿足電動(dòng)汽車所要求的3000次熱循環(huán)后仍能保持使用性能的要求。

圖 比亞迪“唐”油電混合動(dòng)力車

氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性是氮化鋁和氧化鋁的2倍以上，并且具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和高抗熱震性等優(yōu)點(diǎn)，更加適合于大功率半導(dǎo)體功率模塊的應(yīng)用實(shí)況，特別是應(yīng)用在有振動(dòng)場(chǎng)合的功率模塊制備。高機(jī)械（抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性）強(qiáng)度的氮化硅基板，能在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下具有較高使用壽命及更高可靠性，使電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中運(yùn)行更加安全可靠。

圖 氮化硅陶瓷基板樣件

備注：氮化硅制成的陶瓷基板的撓曲強(qiáng)度比采用Al2O3和AlN制成的基板高。Si3N4陶瓷的斷裂韌性甚至超過(guò)了氧化鋯摻雜陶瓷。目前，國(guó)際上高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板主要的供應(yīng)商有美國(guó)羅杰斯公司和日本東芝公司，其生產(chǎn)的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率均能達(dá)到90W·m-1·K-1，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性也分別能達(dá)到650MPa和6.5MPa·m1/2左右。

Part 2一種氮化硅陶瓷基板的制備方法

制備氮化硅陶瓷基板的方法通常包括：先采用氮化硅粉體燒結(jié)出氮化硅陶瓷塊體，切割即得陶瓷基板；另外可采用氮化硅粉通過(guò)流延 成型的方法制備氮化硅陶瓷基板，無(wú)需經(jīng)過(guò)機(jī)械切割。如上工藝技術(shù)都采用氣壓或者熱壓燒結(jié)，同時(shí)原料為氮化硅粉，使得氮化硅基板的成本高昂。

為了降低生產(chǎn)成本，在保證力學(xué)性能和熱導(dǎo)率的前提下，可以采用價(jià)格低廉的高純硅粉作為主要原料，采用流動(dòng)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)的方式制備氮化硅陶瓷，但是，在制備薄片狀陶瓷基板過(guò)程中，采用硅粉流延成型及高溫氮化的方式制備氮化硅基板，易出現(xiàn)由于放熱反應(yīng)導(dǎo)致局部溫度過(guò)高而產(chǎn)生熔硅的現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品的良品率。

下文將引用廣東工業(yè)大學(xué)的一項(xiàng)專利技術(shù)，為大家分享一種低成本制備高綜合性能優(yōu)異氮化硅基板的方法。

這種方法主要包含如下工藝步驟：將硅粉、氮化硅粉、燒結(jié)助劑、分散劑混合，加入溶劑，進(jìn)行第一次球磨，再加入粘接劑和增塑劑，進(jìn)行第二次球磨，經(jīng)真空脫泡后，得到漿料，所述硅粉與氮化硅粉的質(zhì)量比為(1:10)～(10:1)，將漿料經(jīng)流延成型，干燥，得到素坯，經(jīng)真空排膠后得到生坯;將生坯燒結(jié)，得到氮化硅陶瓷基板。

如下為氮化硅陶瓷基板的具體實(shí)施工藝示例：

步驟一：制備漿料

將15.75g硅粉(中值粒徑為10μm)、68.25g氮化硅粉(中值粒徑為0.2μm)、5.7g氧化鋯粉(Zr02)、2g氧化鎂粉(MgO)和8.3g氧化釓粉(Gd203)混合，加入1.68g蓖麻油，再加入120g無(wú)水乙醇-丁酮混合溶劑(無(wú)水乙醇與丁酮的質(zhì)量比為1:2)，以氮化硅球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)進(jìn)行第一次球磨，球磨速率為80轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為24h；然后加入4.2g粘接劑聚乙烯醇縮丁醛和6.72g增塑劑進(jìn)行第二次球磨，球磨速率為80轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為24h，其中，增塑劑為質(zhì)量比1: 1的癸二酸二辛酯和鄰苯二甲酸二異丁酯，球磨完成后在真空度為0.1Pa的條件下脫泡，得到25°C動(dòng)力粘度為3000mPa?S的漿料，25°C動(dòng)力粘度由旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試得到；

步驟二：生坯成型

將漿料進(jìn)行流延成型，在25°C干燥4h，得到素坯，裁切后在真空脫脂爐中進(jìn)行真空排膠，排膠過(guò)程中的真空度為0.06Pa，排膠時(shí)以升溫速率為80°C/h升溫到600°C，在600°C保溫0.5h后，降到室溫得到生坯；

步驟三：陶瓷燒結(jié)

將生坯放入石墨坩堝內(nèi)，置于燒結(jié)氣氛為latm的流動(dòng)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)爐中，以10°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C保溫2h，然后以10°C/min的升溫速度升溫至1600°C，接著以5°C/min的升溫速率將溫度升到1800°C，保溫2h后，以1°C/min的降溫速率將溫度降 到1600°C，之后進(jìn)行隨爐冷卻，得到氮化硅陶瓷基板。

步驟四：產(chǎn)品測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，通過(guò)如上工藝路線制備的氮化硅陶瓷基板的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為800MPa，單邊切口梁法測(cè)量斷裂韌性為8MPa?m1/2，激光閃射法測(cè)量熱導(dǎo)率為60W?m-1?K-1。

如上為該工藝的簡(jiǎn)單整理，如需了解更多氮化硅陶瓷基板的制備細(xì)節(jié)，可參考查閱文獻(xiàn)2詳細(xì)內(nèi)容。全文結(jié)束，感謝閱讀！

參考文獻(xiàn)

1、高性能氮化硅陶瓷的制備與應(yīng)用新進(jìn)展，吳慶文，胡豐，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)；謝志鵬，清華大學(xué)材料學(xué)院。

2、一種氮化硅陶瓷基板的制備方法，黃榮廈，李文杰，吳有亮，葉順達(dá)，林華泰，廣東工業(yè)大學(xué)。

                                                                                              作者：粉體圈小白