氮化硅陶瓷基板是一個(gè)很難搞的材料,想要獲得一塊熱導(dǎo)率及力學(xué)性能可以滿足要求的氮化硅基板實(shí)在不易。但導(dǎo)熱能力好(Toshiba商業(yè)化氮化硅基板熱導(dǎo)率可達(dá)85-95W/m•K)、力學(xué)性能好,熱膨脹系數(shù)與Si,SiC和GaAs等材料匹配良好(3.0X10-6左右)等“好基因”使得氮化硅陶瓷將成為一種極具有吸引力的高強(qiáng)度高導(dǎo)熱電子器件基板材料。具體是什么驅(qū)動(dòng)力讓大家鍥而不舍的想要去攻破如此之難整的它呢?
第一、碳化硅芯片商用
Si基功率器件已廣泛用于電力電車及動(dòng)車組,然而業(yè)界迫切需要具有更小尺寸、更好的性能和更高效率的功率轉(zhuǎn)換器。為了滿足這些需求,寬帶隙(WBG)器件,如SiC功率芯片和模塊作為牽引系統(tǒng)被開發(fā)研究。測(cè)試結(jié)果表明,在惡劣的工作條件下,SiC器件比傳統(tǒng)的硅基IGBT模塊具有更好的性能和更高的效率,目前,在地鐵系統(tǒng)中已經(jīng)開始使用1.7kV混合SiC功率模塊,同時(shí)全SiC3.3kV功率模塊也已經(jīng)成功開發(fā)。除了軌道列車,SiC功率芯片在新能源汽車相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用也是很被看好。
基于SiC的優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更輕的牽引系統(tǒng)重量,具有更高的工作頻率,功率密度和更高的效率。特別是在封裝技術(shù)中分析了SiC器件的挑戰(zhàn),封裝材料的熱性能對(duì)SiC基模塊的可靠性至關(guān)重要使用SiC功率芯片和優(yōu)化包裝的第一個(gè)模塊與傳統(tǒng)模塊相比,可以使損耗降低40%至70%,新的封裝方法及導(dǎo)熱要求限制了傳統(tǒng)制傳統(tǒng)Al2O3和AlN基板的未來作用。
氮化硅足夠結(jié)實(shí)去采用更為簡(jiǎn)單的封裝結(jié)構(gòu)
第二、電動(dòng)汽車的快速發(fā)展
近年來,環(huán)境更為友好的電動(dòng)汽車發(fā)展勢(shì)頭迅猛,在xEV(混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和燃料電池電動(dòng)汽車等電動(dòng)汽車的總稱)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制功率模塊中,絕緣基板不僅需要絕緣導(dǎo)熱能力好,還需要抵抗溫度循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)用。因此需要可靠,抗熱震性能好的陶瓷基板。
Teslamodel 33的逆變器里有24個(gè)SiCMOSFET模塊
第三、其他極端應(yīng)用條件的需求
另外一個(gè)驅(qū)動(dòng)氮化硅陶瓷基板發(fā)展的一個(gè)重要因素是有時(shí)候我們不得不需要增加器件惡劣環(huán)境下的使用壽命以減少后期的維護(hù)從而減低應(yīng)用成本。以風(fēng)力渦輪機(jī)為例,在所有環(huán)境條件下,風(fēng)力渦輪機(jī)的預(yù)期使用壽命為15年,期間不會(huì)發(fā)生故障。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)者也在尋求一個(gè)更為耐用的基板材料,而眾多測(cè)試結(jié)果表明,氮化硅陶瓷基板在使用壽命上實(shí)在是真耐打。
總的來說,高功率的應(yīng)用、高導(dǎo)熱的需求、新的封裝方法及更長(zhǎng)使用壽命要求是驅(qū)動(dòng)氮化硅市場(chǎng)的主要因素,而氮化硅陶瓷基板具體與其他常見的陶瓷基板的不同之處在哪呢,下文將做簡(jiǎn)單整理。
氮化硅陶瓷基板的與眾不同之處
功率模塊絕緣材料選擇的主要性能是導(dǎo)熱系數(shù),彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。高導(dǎo)熱率是功率模塊快速散熱的關(guān)鍵,同時(shí),抗彎強(qiáng)度對(duì)于陶瓷基板在封裝流程中的處理和使用非常重要,而斷裂韌性是預(yù)測(cè)可靠性的關(guān)鍵。
如上表所示,Al2O3(96%)顯示出低導(dǎo)熱率和低機(jī)械值,盡管如此,24W/mK的導(dǎo)熱率還是足以滿足當(dāng)今許多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)應(yīng)用的需求。AlN的最大優(yōu)點(diǎn)是盡管具有中等可靠性,卻具有180W/mK的極高導(dǎo)熱率。
對(duì)更高可靠性的日益增長(zhǎng)的需求推動(dòng)了ZTA(氧化鋯增韌氧化鋁)陶瓷的發(fā)展。這些陶瓷表現(xiàn)出明顯更高的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。但不幸的是,ZTA陶瓷的熱導(dǎo)率與標(biāo)準(zhǔn)Al2O3處于同一范圍,因此在功率密度最高的高功率應(yīng)用中依然是使用受限。
而兼具高導(dǎo)熱性和高機(jī)械性能的Si3N4其導(dǎo)熱系數(shù)可以高質(zhì)至90W/mK,并且具有比同類陶瓷最高的斷裂韌性。這些特性使人們期望Si3N4作為金屬化襯底表現(xiàn)出的高可靠性。