中國粉體網訊 隨著第3代半導體功率器件集成度和功率密度的明顯提高，相應工作產生的熱量急劇增加，電子封裝系統的散熱問題已成為影響其性能和壽命的關鍵。要有效解決器件的散熱問題，必須選擇高導熱的基板材料。近年來已經大規模生產的應用較為廣泛的陶瓷基板主要有：Al2O3、BeO、SiC、AlN、Si3N4等。
不同種類陶瓷基板的性能對比（來源：廖圣俊，《基片用氮化硅陶瓷材料的制備及性能研究》）
作為技術成熟度最高的陶瓷基板材料，Al2O3基板綜合性能較好，目前應用最成熟。Al2O3原料豐富、價格低廉，具有良好的絕緣性、化學穩定性及與金屬附著性，是功率器件最為常用的陶瓷基板。但是因其熱導率較低，僅為29W/（m·K），且熱膨脹系數（7.2×10-6/℃）較高、強度低、介電常數高等不利因素限制其在大功率模塊和集成電路中的應用。
BeO陶瓷基板材料最突出性能是導熱系數大，是氧化鋁6～10倍。遺憾的是，BeO陶瓷粉末有劇毒。
SiC陶瓷雖然具有很高的熱導率，但是其具有較高的介電損耗和較低的擊穿電壓，不利于應用在高頻高壓的工作環境中。
AlN陶瓷基板具有高導熱性、良好的絕緣性等特點，是目前Si基半導體材料中最為常用的陶瓷基板。但是AlN陶瓷機械強度低、易潮解以及較高的制造成本限制了AlN基板的發展。
Si3N4陶瓷是綜合性能最好的陶瓷基板材料，熱導率可達90～120W/（m·k），熱膨脹系數為3.2×10-6/℃，并具有優異的機械強度、良好的化學穩定性和抗熱沖擊性。同時，Si3N4陶瓷基板的熱膨脹系數與第3代半導體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩定，使Si3N4成為第3代SiC半導體功率器件高導熱基板材料的首選。
Si3N4陶瓷熱導率影響因素
原材料選取方面，高導熱氮化硅陶瓷內β相含量應大于40%，隨著最終燒成的氮化硅陶瓷產品中β相比例逐漸增大，氮化硅陶瓷熱導率也逐漸增加。但是，在原材料的晶型選擇方面，采用α-Si3N4粉末作為原材料，在燒結過程中由于粉體活性高，燒結驅動力更高，更容易實現溶解沉淀機制，促進氮化硅的α-β相變，最終得到高β相含量、熱導率高的氮化硅陶瓷；而采用β-Si3N4粉料為材料，雖然最終氮化硅陶瓷β相含量高，但其燒結驅動力小，陶瓷很難燒結致密，導致陶瓷內部存在大量氣孔，降低陶瓷的熱導率。研究表明，向Si3N4原料中加入一定量的β-Si3N4晶種，可促進燒結過程中細小顆粒迅速溶解沉淀β-Si3N4晶上，促進晶粒生長，晶界內的雜質和缺陷排出，凈化晶格，從而提高熱導率。
在陶瓷燒結助劑選擇上，目前常用的金屬氧化物和稀土氧化物有Al2O3、MgO、ZrO2、SiO2、RE2O3（RE=La、Nd、Gd、Y、Yb、Sc）等。此外，對燒結助劑的研究從單一的燒結助劑向兩種或兩種以上的復合燒結助劑發展。研究發現，采用多種復合燒結助劑可明顯改善液相黏度，提高Si3N4陶瓷的高溫性能和熱學性能。
燒結溫度方面，Si3N4陶瓷燒成溫度一般在1700~1850℃之間。燒成溫度低于液相溫度時，陶瓷內液相少、黏度高，無法實現氮化硅晶體重排和氣孔排出，陶瓷燒結致密度低，氣孔率高，內部空氣的存在大大降低陶瓷導熱性能；提高燒成溫度在溶解沉淀作用下，晶粒重排和氣孔排出充分，陶瓷致密度高、氣孔率低，陶瓷導熱性能高；燒結溫度繼續升高時，致密度已經達到一定程度，材料的密度不再有顯著的提高，Si3N4晶粒異常長大，材料的散熱通道逐漸增加，但是大晶粒使陶瓷的力學性能降低。在保證陶瓷具有一定力學性能的前提下，盡量升高燒成溫度來提高陶瓷熱導率，是制備綜合性能優異的Si3N4陶瓷的關鍵。
燒結氣氛方面，氮化硅陶瓷燒結采用氮氣高壓燒結。氮氣氣氛可以有效抑制Si3N4陶瓷的高溫分解，從而使Si3N4陶瓷可以在更高的溫度下進行燒結，促進Si3N4陶瓷的溶解沉淀進程，提高氮化硅α-β相轉變，改善氮化硅陶瓷熱導率。
Si3N4陶瓷基板制備
Si3N4陶瓷基板采用流延成型方法，將氮化硅與燒結助劑、有機粘結劑、溶劑、分散劑等按一定比例混合，制成分散均勻的漿料；該漿料再經真空脫泡后，在流延機上流延成柔韌性良好的氮化硅陶瓷薄片；然后，氮化硅陶瓷在氣壓保護條件下進行燒結研制出高導熱氮化硅陶瓷基片。
Si3N4基板工藝流程（來源：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》）
流延成型的漿料是決定素坯性能的關鍵因素，漿料包括粉體、溶劑、分散劑、粘結劑、增塑劑和其他添加劑。雖然流延成型相比于其他成型工藝有著獨特的優勢，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、穩定性和坯片的厚度等因素。
流延成型的Si3N4基板（來源：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》）
燒結方面，早期制備高導熱Si3N4陶瓷材料，研究多采用熱等靜壓燒結方法，但是熱等靜壓燒結存在設備昂貴、操作復雜、制備成本高等問題。氣壓壓力燒結、熱壓燒結和反應燒結重燒結燒結是目前制備高導熱Si3N4陶瓷材料使用較多的燒結工藝。
Si3N4陶瓷基板產業化進展
目前，全球范圍內可實現批量化制造高導熱Si3N4陶瓷基板的企業全部在日本。其中東芝（Toshiba）產能達到10萬m2/年、丸和（Maruwa）4萬m2/年、電氣化學（Denka）3萬m2/年、京瓷（Kyocera）和日本精密陶瓷（JFC）1萬m2/年，東芝材料的市場份額更是占到50%。
現在國內還沒有企業真正完成氮化硅基板產業化，各高校、研究院所和企業都處于小批量研制階段。中材高新氮化物陶瓷有限公司在“十三五”國家重點研發計劃支持下，系統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，建立起年產10萬片（114mm×114mm）中試生產線。
據相關報道，日本企業正在加快高導熱Si3N4基板的產能擴充，如日本東芝材料計劃2022年之前將產能擴充至14.6萬m2/年；日本電氣化學投資1.62億元用于高導熱Si3N4陶瓷片的產能擴充，預計2025年全部建成；日本精細陶瓷株式會社計劃在2023年之前將產能提高10m2/年。2020年6月，作為氮化鋁基板全球領導者的日本德山公司，突然宣布進軍Si3N4陶瓷材料，并公布他們已經開發了獨有的節能、安全、環保且低成本的Si3N4基板生產技術。
目前中材高新氮化物公司正在計劃建設年產年產200t高端Si3N4制品項目，主導產品為熱等靜壓Si3N4軸承球和高導熱Si3N4基板，預計2022年投產。該項目的建成投產可填補我國在高導熱Si3N4基板“卡脖子”的問題，實現自主可控，縮短國內外基板材料差距，有效提升國產大功率半導體器件的核心競爭力，服務支撐新能源汽車等戰略性新興產業的創新發展。
參考資料：
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》
2、廖圣俊，《基片用氮化硅陶瓷材料的制備及性能研究》
3、周立娟等，《高導熱氮化硅陶瓷基板研究現狀》
4、陳波等，《氮化硅陶瓷在四大領域的研究及應用進展》
5、李少鵬，《新一代IGBT模塊用高可靠氮化硅陶瓷覆銅基板研究進展》
（中國粉體網編輯整理/長安）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！
