高功率模塊“戰(zhàn)斗基”：氮化硅陶瓷基板及其制備方法

Part1高功率模塊“戰(zhàn)斗基”：氮化硅基板半導體功率模塊是電力電子領域中最重要的功率器件之一，應用于電動汽車、軌道交通等領域。其中，用于封裝功率模塊的覆銅基板是不可或缺的關鍵基礎材料，而覆銅基板中的絕緣層通常是陶瓷材料。目前，市場上主要流行使用的覆銅陶瓷基板材料有兩種：Al2O3和AlN。

參考資料某公司陶瓷基板的熱導率及線膨脹系數數據

基板材料
    

熱導率(20℃)
    

線性熱膨脹系數(20°C-300°C）

氧化鋁(Al2O3)
    

24W/mK
    

6.8 ppm/K

氧化鋁(9%ZrO2摻雜)HPS*
    

28W/mK
    

7.1 ppm/K

氮化硅(Si3N4)
    

90W/mK
    

2.5 ppm/K

氮化鋁(AlN)
    

170W/mK
    

4.7 ppm/K

備注：無氧銅的熱膨脹系數約為1.86

在覆銅過程中，因為金屬銅和陶瓷材料的熱膨脹系數有較大的差別，所以在高溫條件下的覆銅之后，容易在在陶瓷基板中產生較大的附加熱應力。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程中也會陸續(xù)地在陶瓷基板上產生熱應力。因此經過漫長時間使用后在基板內部很容易有微小的裂紋產生和擴展，故很容易讓封裝基板產生破裂從而失效。

同時當半導體功率模塊使用在車輛等存在頻繁震動的移動設施上，力學性能不足的陶瓷基板容易出現斷裂，降低了半導體功率模塊在使用過程中的可靠性。在實際生產過程中，通常使用240K-500K的熱循環(huán)實驗來檢測試樣的抗熱震性能，普通的Al2O3和AlN一般在經受了50次熱循環(huán)之后就會產生裂紋，在經歷了500次熱循環(huán)之后會發(fā)生銅電路的脫落，不能夠滿足電動汽車所要求的3000次熱循環(huán)后仍能保持使用性能的要求。

氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學性能，其抗彎強度和斷裂韌性是氮化鋁和氧化鋁的2倍以上，并且具有高熱導率、低熱膨脹系數和高抗熱震性等優(yōu)點，更加適合于大功率半導體功率模塊的應用實況，特別是應用在有振動場合的功率模塊制備。高機械（抗彎強度和斷裂韌性）強度的氮化硅基板，能在嚴苛的工作環(huán)境下具有較高使用壽命及更高可靠性，使電機動力系統中運行更加安全可靠。

備注：氮化硅制成的陶瓷基板的撓曲強度比采用Al2O3和AlN制成的基板高。Si3N4陶瓷的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷。目前，蘇州晶耀公司生產的高導熱氮化硅陶瓷熱導率均能達到90W·m-1·K-1，抗彎強度和斷裂韌性也分別能達到650MPa和6.5MPa·m1/2左右。

Part2一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流延成型的方法制備氮化硅陶瓷基板，無需經過機械切割。如上工藝技術都采用氣壓或者熱壓燒結，同時原料為氮化硅粉，使得氮化硅基板的成本高昂。

為了降低生產成本，在保證力學性能和熱導率的前提下，可以采用價格低廉的高純硅粉作為主要原料，采用流動氮氣氣氛燒結的方式制備氮化硅陶瓷，但是，在制備薄片狀陶瓷基板過程中，采用硅粉流延成型及高溫氮化的方式制備氮化硅基板，易出現由于放熱反應導致局部溫度過高而產生熔硅的現象，從而影響產品的良品率。

下文將引用廣東工業(yè)大學的一項專利技術，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、燒結助劑、分散劑混合，加入溶劑，進行第一次球磨，再加入粘接劑和增塑劑，進行第二次球磨，經真空脫泡后，得到漿料，所述硅粉與氮化硅粉的質量比為(1:10)～(10:1)，將漿料經流延成型，干燥，得到素坯，經真空排膠后得到生坯;將生坯燒結，得到氮化硅陶瓷基板。

如下為氮化硅陶瓷基板的具體實施工藝示例：

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無水乙醇-丁酮混合溶劑(無水乙醇與丁酮的質量比為1:2)，以氮化硅球為球磨介質進行第一次球磨，球磨速率為80轉/分鐘，時間為24h；然后加入4.2g粘接劑聚乙烯醇縮丁醛和6.72g增塑劑進行第二次球磨，球磨速率為80轉/分鐘，時間為24h，其中，增塑劑為質量比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動力粘度為3000mPa•S的漿料，25°C動力粘度由旋轉粘度計測試得到；

步驟二：生坯成型

將漿料進行流延成型，在25°C干燥4h，得到素坯，裁切后在真空脫脂爐中進行真空排膠，排膠過程中的真空度為0.06Pa，排膠時以升溫速率為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

將生坯放入石墨坩堝內，置于燒結氣氛為latm的流動氮氣氣氛燒結爐中，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，之后進行隨爐冷卻，得到氮化硅陶瓷基板。

步驟四：產品測試

經測試，通過如上工藝路線制備的氮化硅陶瓷基板的三點抗彎強度為800MPa，單邊切口梁法測量斷裂韌性為8MPa•m1/2，激光閃射法測量熱導率為60W•m-1•K-1。