驅(qū)動(dòng)氮化硅基板市場的三大因素

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使用壽命要求是驅(qū)動(dòng)氮化硅市場的主要因素，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。
對更高可靠性的日益增長的需求推動(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。