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国外企业在氮化硅陶瓷基板领域研究的方向
2021年07月28日 发布 分类:行业要闻 点击量:373
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随着大功率半导体器件的广泛应用,高导热绝缘陶瓷基板的市场越发广阔,据预测,仅国内电动汽车陶瓷基板市场年需求量超100亿人民币/年。目前,常用陶瓷绝缘基板材料包括氧化铝、氮化铝和氮化硅三种。

 

氮化硅陶瓷基板在电动汽车中的应用

目前商用氮化硅基板热导率可达60~90 W/(m·k),抗弯强度600~700 MPa,较氧化铝陶瓷基板具有更加突出的导热性和机械性能,较氮化铝陶瓷基板具有更加突出的机械性能,随着混合电动力汽车和纯电动汽车的发展,氮化硅陶瓷基板以其优异的综合性能,年需求量呈逐年上升趋势。另外,氮化硅基板热膨胀系数小,与热门的第三代半导体材料SiC、GaAs等具有良好的匹配性,可以预见,随着第三代半导体的推广,氮化硅基板将是与其相匹配的首选陶瓷基板。

三种商用陶瓷基板的产品性能对比

 

氮化硅陶瓷基板的国内外发展概况

国际市场上,氮化硅陶瓷基板的主要供应商为日本东芝公司、日本京瓷会社和美国罗杰斯公司。东芝公司在全球氮化硅基板占据的市场份额最大,尤其在混合动力汽车/纯电动汽车(HEV/EV)市场领域;京瓷株式会社采用氮化硅基板作为功率模块封装上的绝缘材料,主要用在电动汽车逆变器的核心IGBT功率模块,此外,还有电机驱动电路模块、电流转换模块等;美国罗杰斯公司的氮化硅基板主要应用于长寿命、高可靠性、高稳定性且不能出现局部放电现象的领域,比如高可靠性功率模块、可再生能源领域等。

 

氮化硅陶瓷基板产品

国内市场上,氧化铝和氮化铝陶瓷基板已经实现产业化,相继发展起了一些能稳定批量供货的中型企业,然而对于氮化硅陶瓷基板,国内进度就比较落后,仍未实现氮化硅基板的大批量供货。国内的氮化硅原材料制备、基板批量化制备工艺研发等技术水平与国外存在较大差距,氮化硅陶瓷基板成为制约我国电动汽车、LED照明等重要产业自主化生产的瓶颈。

国外氮化硅陶瓷基板领域研究热点

虽然国外在氮化硅陶瓷基板的生产技术上对我国有一定的限制封锁,但通过美欧日等国家的相关专利申请,也还是能一窥国际上在氮化硅陶瓷基板领域的关注研究方向。这些专利主要集中在一些日本企业,关注点从早期的高导热氮化硅基板制备发展到薄型氮化硅基板制备等市场热点。

1. 日本东芝株式会社

1)专利一:高热导和高强度氮化硅散热基板制备

该专利为广泛应用于电气设备和电子仪器的高热导和高强度氮化硅散热基板的制备,可改善结构部件的韧性强度和热传导性,特别是可以有效地防止产生在散热板的组装工序中的紧固破裂和热循环所引起的裂缝。

氮化硅粉预处理

专利提出将稀土族元素,从氮化铝、氧化铝或Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物组成的群体中选择的至少一种,各按预定的量掺入到微细且具有高纯度的氮化硅粉末中,经过成型脱脂,并进行致密化烧结、缓慢冷却等流程,可大大改善氮化硅陶瓷基板的热导率和强度。

成型厚度控制

通过采用氧或杂质阳离子元素含量低的高纯氮化硅原料粉末,并采用减薄氮化硅成形体厚度的办法,可以有效地防止晶界相中的非晶质玻璃相的产生,因而即使在向原料粉末中仅仅掺进了稀土族元素氧化物的情况下,也可以得到具有80 W/(m·k)以上,甚至90 W/(m·k)以上的高热导率的氮化硅陶瓷基板。

采用缓慢冷却速度

在冷却过程中,区别于一般采用的400~800℃/h速度急冷,而采用每小时100℃以下的缓慢冷却速度,可以使氮化硅烧结体的晶界相由非晶质状态变化为结晶相,使之同时实现高强度特性和高导热特性。

(2)专利二:薄型化、优异绝缘性能氮化硅基板制备

氮化硅板厚度影响绝缘性,当氮化硅基板厚度减薄为0.30 mm 时,绝缘性难以得到充分保证,该专利提供了热导率为50 W/(m·K) 以上、3点弯曲强度为600 MPa以上的高热导性薄型氮化硅基板,厚度为0.1~0.7 mm,优选为0.1~0.3 mm。

制备基板的烧结体中含有所述含有选自Y1.6Hf0.3O3晶体、Y0.5Hf0.5O1.75晶体、Y0.1Hf0.9O1.95晶体中的2种以上稀土类元素-铪-氧系化合物晶体,优选技术方案中烧结体中含有钇,晶界相的最大直径为10μm以下,氮化硅晶粒的长径的平均粒径为1~10μm,烧结体的气孔率为 3%以下。

(3)专利三:具有高热循环且使用厚引线框难变形的氮化硅基板制备

随着功率模块高输出化,半导体器件的工作温度将升至175℃以上,因此要求陶瓷电路基板具有高热循环TCT特性,氮化硅基板可耐5000个循环使用次数,另外,伴随半导体器件高性能化,载流量增加,需要使用厚的引线框,对陶瓷基板压力增大,容易引起基板发生大的弯曲。

该专利制备的厚度为0.33 mm以下的氮化硅基板,具有良好TCT特性且使用厚引线框时也不会变形。

2. 日本日立金属株式会社

1)专利一:高温高压热处理制备高热导氮化硅基板

该专利为具有100 W/(m·K)以上的高导热率的氮化硅陶瓷基板的制备,专利提出高导热性的呈现,除了烧结体中的氮化硅粒子的生长之外,还与因高温热处理使氮化硅粒子内六角形的析出相有关,这种析出相是在烧结和粒子生长时,Y-Nd-Si-O构成的助烧结剂固溶在氮化硅粒子内,在高温下热处理及冷却时,在氮化硅粒子内析出 Y-Nd-Si-O 组成的非晶相,而且,为了使析出物的一部分结晶,需要使用高纯度氮化硅。

专利中氮化硅烧结体热处理是在通过在10个大气压的氮气中用 2000 ℃烧结氮化硅粉末的成型体之后,在300个大气压和2200 ℃的高温高压氮气中进行热处理,但是该方法使用高温高压装置,烧结后进行热处理,降低了生产率,成本高昂。

(2)专利二:MgO和稀土氧化物助烧制备高强度氮化硅基板

该专利为热导率 80 W/(m·k) 以上的高强度氮化硅基板制备,用于耐高电压、大电流工作的功率半导体模块,防止金属电路板和金属散热板与陶瓷基板之间因为机械强度低,而使陶瓷基板容易开裂甚至剥离。

专利提出原料采用含氧量2.0 wt%以下的氮化硅粉、稀土氧化物和MgO,所制的陶瓷基板产品可以做成总厚度40 mm以下的基板成型体;然后以300℃ /h以下的速度从1600℃升温至1800~2000℃的温度,保持2~10 h之后,以100℃/h以上的速度冷却至1500℃进行烧结。

(3)专利三:平整无波纹的薄型基板制备

近年来,为减少作为电路基板整体的热电阻,陶瓷基板厚度有减薄到1.0 mm以下的趋势,而对于薄的陶瓷基板,伴随烧结变形更容易产生表面波纹度,因此产业上迫切需要制备表面非常平整的陶瓷基板。专利提出一种厚度0.20~0.80mm并具有良好弯曲强度、热导率以及与金属板结合性能好的氮化硅基板的制备方法。

该专利的技术方案包括以下步骤

①分离层形成工序。该工序是使用制备的氮化硼糊,在含有氮化硅粉末、烧结助剂粉末和有机粘合剂的板状成型体的表面形成分离层;

②脱脂工序。通过加热从所述分离层和成型体中除去有机粘合剂,在所述分离层形成工序中,在成型体上形成的分离层含有0.2~3.5 mg/cm2的六方氮化硼粉末;

③烧结工序。该方法烧结后可以无损伤分离多片层叠的氮化硅基板。

3. 日本宇部兴产株式会社

1)专利一:高性能氮化硅粉制备

宇部的优异机械强度、高导热氮化硅基板的制备技术核心是高性能氮化硅粉的制备,通过该氮化硅粉末可以制备得到氮化硅烧结体的相对密度为99%以上,室温弯曲强度为 600 MPa以上,传热系数为100 W/(m·K) 以上。

连续烧结炉中,使比表面积为400~1200 m2/g的非晶质Si-N(-H)系化合物流动,烧结气氛为含氮惰性或含氮还原气氛,烧结温度是1400~1700℃,在 1000~1400℃的温度范围下,以12~100℃/min的升温速度加热,控制氮化硅粉末的比表面积为5~30 m2/g,控制粉末比表面积与氧含量的比值在一定的范围内。

(2)专利二:适用于兼具高导热和高强度基板的氮化硅粉制备

专利提出氮化硅烧结体难以兼顾高导热和高强度,比如具有105~115 W/(m·k)的高导热氮化硅的三点弯曲强度最高不超过750 MPa,宇部的适用于制备兼具高导热和高强度的氮化硅基板的氮化硅粉,比表面积为4.0~9.0 m2/g,β相的比例小于40 wt%,氧含量为0.20~ 0.95wt%。

4. 日本三菱综合材料株式会社

(1)专利一:与由铝或铝合金构成的铝板接合而成的氮化硅基板制备

该专利针对的问题是在LED模块中,氮化硅基板中有晶相和玻璃相,玻璃相与铝板的结合性不足,导致与氮化铝和氧化铝基板相比,氮化硅基板结合性较差。

专利制备的陶瓷基板具有氮化硅陶瓷主体,通过氮化铝层或氧化铝层接合铝板,陶瓷主体具备氮化硅相及形成于该氮化硅相之间的玻璃相,玻璃相中与氮化铝层或氧化铝层的界面侧部分存在Al。

(2)专利二:铜-陶瓷接合体、绝缘电路氮化硅基板制备

该专利针对的问题是在陶瓷基板与铜板的结合中,通常采用活性金属钎焊法,会出现钎料杂质迁移、反应不充分、存在残留气体导致局部放电等导致接合不足或基板劣质化。

三菱的专利提供可靠接合铜部件和陶瓷基板,且耐迁移性优异的铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板,在铜板与陶瓷基板之间,在陶瓷基板侧形成含有活性金属的氮化物层,这种活性金属氮化物层包含选自Ti、Zr、Nb及Hf中的一种或两种以上的活性金属的氮化物。

总结

从上述日本企业的技术专利方向可知,目前国外对于氮化硅陶瓷基板的研究重点在于高导热、高强度、高绝缘、薄型等性能特点,既有突出单一特性,也有兼具某几种特性的基板以及适用于这些种类基板的氮化硅粉体制备。而在氮化硅陶瓷基板的应用上,主要关注与金属结合性更好的特型氮化硅陶瓷基板的制备。

整体而言,国外在氮化硅陶瓷基板领域的技术关注点,从早期的高导热氮化硅基板制造到厚度为0.20~0.80 mm的薄型氮化硅基板制造,以及解决氮化硅基板因安装导致的翘曲等产业化问题。

这些专利技术为我国解决氮化硅基板产业化提供了丰富的技术情报,同时也设置了专利壁垒,我国研发者可以通过关注参考这些技术方向,缩短技术弯路,尽快促进氮化硅基板产业化,以满足我国电动汽车等行业的迫切需求。

 

参考来源:

借鉴日本专利技术,促进国内高导热氮化硅基片产业化;李贵佳(国家知识产权局专利局材料工程发明审查部)

 


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