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为什么说氮化硅陶瓷基板是世界级战略产品?
2020年11月30日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:514
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众所周知,半导体器件工作产生的热量是引起半导体器件失效的关键因素,而绝缘基板的导热性是影响整体半导体器件散热的关键,此外,由于经常面临颠簸、震动等复杂的力学环境,基板材料也需一定的力学可靠性,氮化硅陶瓷各方面性能较平衡,是综合性能最好的结构陶瓷材料,因此在电力电子器件的陶瓷基板制造领域,有着较强的竞争力。

氮化硅

氮化硅陶瓷基板

那么氮化硅陶瓷基板具体有哪些优势呢?

具有基础化学知识的人都知道:氮元素和硅元素在地球上具有极大的存储量,而由这两种元素组成的材料,就是氮化硅(Si3N4。由氮化硅为主材,制造的现代功能陶瓷,更是具有极其广泛的应用。

氮化硅

氮化硅

高导热氮化硅陶瓷微观形貌

今天就只从对电路基板的认知,来谈一谈氮化硅特种陶瓷。

过去的电路基板是将分离元器件进行电路组合或集成电路与分立元器件电路组合,形成达到整体电路功能要求的平板材料,要求只是绝缘和导电。

而进入智能化信息时代后,对电力电子器件还要求能够对电能进行变换和控制,由此便大大提升了器件的电控和功率转换性能要求与运行功耗,相应的,普通的基板已无法满足降低复杂功率器件热阻、控制运行温度、保障可靠性的高要求,必须更换性能更优的基板,新型功率陶瓷基板便应运而生。

氮化硅

基于电子器件对陶瓷基板的性能要求,基板材料应具有以下性质:

(1)良好的绝缘性和抗电击穿能力;

(2)高的导热率:导热性直接影响半导体期间的运行状况和使用寿命,散热性差导致的温度场分布不均匀也会使电子器件噪声大大增加;

(3)热膨胀系数与封装内其他其他所用材料匹配;

(4)良好的高频特性:即低的介电常数和低的介质损耗;

(5)表面光滑,厚度一致:便于在基片表面印刷电路,并确保印刷电路的厚度均匀。

目前已经投入生产应用最广的陶瓷基板材料主要为氧化铝和氮化铝。

而氮化硅与它们的性能比起来如何呢?且看下表:

三种陶瓷材料性能对比

氮化硅

与其它陶瓷材料相比,氮化硅陶瓷材料具有明显优势,尤其是高温条件下氮化硅陶瓷材料表现出的耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。

既然氮化硅这么优秀,为什么市场应用仍较少,它的发展机遇在哪呢?

其实三种材料各有优劣,如氧化铝虽然导热性能较差,无法跟上大功率半导体的发展趋势,但其制造工艺成熟,成本低,在中低端领域仍有很大的需求量。氮化铝的导热性能最好,与半导体材料有良好的匹配,可应用于高端产业,只是力学性能较差,影响半导体器件寿命,使用成本较高。

而氮化硅在综合性能方面表现最优,但入门门槛很高,目前国内很多科研单位和企业都在研究,但技术难度大,加工成本高,且市场较小,还未出现大规模应用的契机,这也是许多企业还在观望,未下定决心加大投入的原因。

不过,现在情况不同了,因为我们已经进入了第三代半导体的发展关键期

之前粉体圈推送的文章中已经介绍过第三代半导体是5G时代的发展趋势,但它们要用起来,却是离不开陶瓷基板的辅助,否则就算性能再优越,其散热效果也会大大降低。

而在当前适应第三代半导体,如氮化镓、碳化硅等性能要求的大功率陶瓷基板材料中,综合下来最有前途的材料就是:氮化硅陶瓷。它的高导热系数、高电流载荷,比较容易满足第三代功率半导体器件的散热需求,同时热膨胀系数与大多数半导体材料匹配,电气性能与机械性能也有不错的水平。

氮化硅

第三代半导体正飞速发展

相对来说,在木桶效应的影响下,氮化硅更适合未来的高性能时代。

就因为功率集成电路陶瓷基板对于电力电子技术的发展具有不可或缺的地位,所以也就成为西方发达国家对我们国内进行全方位技术封锁的关键材料之一,西方国家目前已限制氮化硅陶瓷基板的生产技术进入我国,而氮化硅陶瓷电路基板在美、日也已经有了成熟的产品,第三代半导体器件的成套技术也已经形成产业化。

时代的发展在推着整个产业向前,由于氮化硅是第三代大功率半导体器件的配套材料,不但会促进国民经济的发展,而且对于中国的国防建设也具有战略意义,因此,说氮化硅陶瓷基板是世界级战略产品,也就一点不为过了。

而这个重要产业最关键之处就是,氮化硅陶瓷基板要和第三代大功率半导体器件进行配套,是一个比较复杂的系统工程,不仅需要大规模资金的配合还要进行综合技术的整合,要有组织机构的强力协调,才能够完成这个配套的任务。


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