高功率模块“战斗基”：氮化硅陶瓷基板及其制备方法

Part1高功率模块“战斗基”：氮化硅基板半导体功率模块是电力电子领域中最重要的功率器件之一，应用于电动汽车、轨道交通等领域。其中，用于封装功率模块的覆铜基板是不可或缺的关键基础材料，而覆铜基板中的绝缘层通常是陶瓷材料。目前，市场上主要流行使用的覆铜陶瓷基板材料有两种：Al2O3和AlN。

参考资料某公司陶瓷基板的热导率及线膨胀系数数据

基板材料
    

热导率(20℃)
    

线性热膨胀系数(20°C-300°C）

氧化铝(Al2O3)
    

24W/mK
    

6.8 ppm/K

氧化铝(9%ZrO2掺杂)HPS*
    

28W/mK
    

7.1 ppm/K

氮化硅(Si3N4)
    

90W/mK
    

2.5 ppm/K

氮化铝(AlN)
    

170W/mK
    

4.7 ppm/K

备注：无氧铜的热膨胀系数约为1.86

在覆铜过程中，因为金属铜和陶瓷材料的热膨胀系数有较大的差别，所以在高温条件下的覆铜之后，容易在在陶瓷基板中产生较大的附加热应力。并且，由于电子封装基板自身的周期性使用特性，在频繁的升温和降温过程中也会陆续地在陶瓷基板上产生热应力。因此经过漫长时间使用后在基板内部很容易有微小的裂纹产生和扩展，故很容易让封装基板产生破裂从而失效。

同时当半导体功率模块使用在车辆等存在频繁震动的移动设施上，力学性能不足的陶瓷基板容易出现断裂，降低了半导体功率模块在使用过程中的可靠性。在实际生产过程中，通常使用240K-500K的热循环实验来检测试样的抗热震性能，普通的Al2O3和AlN一般在经受了50次热循环之后就会产生裂纹，在经历了500次热循环之后会发生铜电路的脱落，不能够满足电动汽车所要求的3000次热循环后仍能保持使用性能的要求。

氮化硅陶瓷具有优异的力学性能，其抗弯强度和断裂韧性是氮化铝和氧化铝的2倍以上，并且具有高热导率、低热膨胀系数和高抗热震性等优点，更加适合于大功率半导体功率模块的应用实况，特别是应用在有振动场合的功率模块制备。高机械（抗弯强度和断裂韧性）强度的氮化硅基板，能在严苛的工作环境下具有较高使用寿命及更高可靠性，使电机动力系统中运行更加安全可靠。

备注：氮化硅制成的陶瓷基板的挠曲强度比采用Al2O3和AlN制成的基板高。Si3N4陶瓷的断裂韧性甚至超过了氧化锆掺杂陶瓷。目前，苏州晶耀公司生产的高导热氮化硅陶瓷热导率均能达到90W·m-1·K-1，抗弯强度和断裂韧性也分别能达到650MPa和6.5MPa·m1/2左右。

Part2一种氮化硅陶瓷基板的制备方法制备氮化硅陶瓷基板的方法通常包括：先采用氮化硅粉体烧结出氮化硅陶瓷块体，切割即得陶瓷基板；另外可采用氮化硅粉通过流延成型的方法制备氮化硅陶瓷基板，无需经过机械切割。如上工艺技术都采用气压或者热压烧结，同时原料为氮化硅粉，使得氮化硅基板的成本高昂。

为了降低生产成本，在保证力学性能和热导率的前提下，可以采用价格低廉的高纯硅粉作为主要原料，采用流动氮气气氛烧结的方式制备氮化硅陶瓷，但是，在制备薄片状陶瓷基板过程中，采用硅粉流延成型及高温氮化的方式制备氮化硅基板，易出现由于放热反应导致局部温度过高而产生熔硅的现象，从而影响产品的良品率。

下文将引用广东工业大学的一项专利技术，为大家分享一种低成本制备高综合性能优异氮化硅基板的方法。

这种方法主要包含如下工艺步骤：将硅粉、氮化硅粉、烧结助剂、分散剂混合，加入溶剂，进行第一次球磨，再加入粘接剂和增塑剂，进行第二次球磨，经真空脱泡后，得到浆料，所述硅粉与氮化硅粉的质量比为(1:10)～(10:1)，将浆料经流延成型，干燥，得到素坯，经真空排胶后得到生坯;将生坯烧结，得到氮化硅陶瓷基板。

如下为氮化硅陶瓷基板的具体实施工艺示例：

步骤一：制备浆料

将15.75g硅粉(中值粒径为10μm)、68.25g氮化硅粉(中值粒径为0.2μm)、5.7g氧化锆粉(Zr02)、2g氧化镁粉(MgO)和8.3g氧化钆粉(Gd203)混合，加入1.68g蓖麻油，再加入120g无水乙醇-丁酮混合溶剂(无水乙醇与丁酮的质量比为1:2)，以氮化硅球为球磨介质进行第一次球磨，球磨速率为80转/分钟，时间为24h；然后加入4.2g粘接剂聚乙烯醇缩丁醛和6.72g增塑剂进行第二次球磨，球磨速率为80转/分钟，时间为24h，其中，增塑剂为质量比1:1的癸二酸二辛酯和邻苯二甲酸二异丁酯，球磨完成后在真空度为0.1Pa的条件下脱泡，得到25°C动力粘度为3000mPa•S的浆料，25°C动力粘度由旋转粘度计测试得到；

步骤二：生坯成型

将浆料进行流延成型，在25°C干燥4h，得到素坯，裁切后在真空脱脂炉中进行真空排胶，排胶过程中的真空度为0.06Pa，排胶时以升温速率为80°C/h升温到600°C，在600°C保温0.5h后，降到室温得到生坯；

步骤三：陶瓷烧结

将生坯放入石墨坩埚内，置于烧结气氛为latm的流动氮气气氛烧结炉中，以10°C/min的升温速率将温度升到1400°C保温2h，然后以10°C/min的升温速度升温至1600°C，接着以5°C/min的升温速率将温度升到1800°C，保温2h后，以1°C/min的降温速率将温度降到1600°C，之后进行随炉冷却，得到氮化硅陶瓷基板。

步骤四：产品测试

经测试，通过如上工艺路线制备的氮化硅陶瓷基板的三点抗弯强度为800MPa，单边切口梁法测量断裂韧性为8MPa•m1/2，激光闪射法测量热导率为60W•m-1•K-1。