陶瓷基板材料的类型与优缺点

随着第3代半导体功率器件集成度和功率密度的明显提高，相应工作产生的热量急剧增加，电子封装系统的散热问题已成为影响其性能和寿命的关键。   要有效解决器件的散热问题，必须选择高导热的基板材料。近年来已经大规模生产的应用较为广泛的陶瓷基板主要有：Al2O3、BeO、SiC、AlN、Si3N4等。  

 

作为技术成熟度最高的陶瓷基板材料，Al2O3基板综合性能较好，目前应用最成熟。Al2O3原料丰富、价格低廉，具有良好的绝缘性、化学稳定性及与金属附着性，是功率器件最为常用的陶瓷基板。但是因其热导率较低，仅为29W/（m·K），且热膨胀系数（7.2×10-6/℃）较高、强度低、介电常数高等不利因素限制其在大功率模块和集成电路中的应用。

BeO陶瓷基板材料最突出性能是导热系数大，是氧化铝6～10倍。遗憾的是，BeO陶瓷粉末有剧毒。

SiC陶瓷虽然具有很高的热导率，但是其具有较高的介电损耗和较低的击穿电压，不利于应用在高频高压的工作环境中。

AlN陶瓷基板具有高导热性、良好的绝缘性等特点，是目前Si基半导体材料中最为常用的陶瓷基板。但是AlN陶瓷机械强度低、易潮解以及较高的制造成本限制了AlN基板的发展。

Si3N4陶瓷是综合性能最好的陶瓷基板材料，热导率可达90～120W/（m·k），热膨胀系数为3.2×10-6/℃，并具有优异的机械强度、良好的化学稳定性和抗热冲击性。

同时，Si3N4陶瓷基板的热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体接近，使其能够与SiC晶体材料匹配性更稳定，使Si3N4成为第3代SiC半导体功率器件高导热基板材料的首选。

Si3N4陶瓷热导率影响因素

原材料选取方面，高导热氮化硅陶瓷内β相含量应大于40%，随着最终烧成的氮化硅陶瓷产品中β相比例逐渐增大，氮化硅陶瓷热导率也逐渐增加。

但是，在原材料的晶型选择方面，采用α-Si3N4粉末作为原材料，在烧结过程中由于粉体活性高，烧结驱动力更高，更容易实现溶解沉淀机制，促进氮化硅的α-β相变，最终得到高β相含量、热导率高的氮化硅陶瓷；而采用β-Si3N4粉料为材料，虽然最终氮化硅陶瓷β相含量高，但其烧结驱动力小，陶瓷很难烧结致密，导致陶瓷内部存在大量气孔，降低陶瓷的热导率。

研究表明，向Si3N4原料中加入一定量的β-Si3N4晶种，可促进烧结过程中细小颗粒迅速溶解沉淀β-Si3N4晶上，促进晶粒生长，晶界内的杂质和缺陷排出，净化晶格，从而提高热导率。

在陶瓷烧结助剂选择上，目前常用的金属氧化物和稀土氧化物有Al2O3、MgO、ZrO2、SiO2、RE2O3（RE=La、Nd、Gd、Y、Yb、Sc）等。此外，对烧结助剂的研究从单一的烧结助剂向两种或两种以上的复合烧结助剂发展。

研究发现，采用多种复合烧结助剂可明显改善液相黏度，提高Si3N4陶瓷的高温性能和热学性能。

烧结温度方面，Si3N4陶瓷烧成温度一般在1700~1850℃之间。烧成温度低于液相温度时，陶瓷内液相少、黏度高，无法实现氮化硅晶体重排和气孔排出，陶瓷烧结致密度低，气孔率高，内部空气的存在大大降低陶瓷导热性能；提高烧成温度在溶解沉淀作用下，晶粒重排和气孔排出充分，陶瓷致密度高、气孔率低，陶瓷导热性能高；烧结温度继续升高时，致密度已经达到一定程度，材料的密度不再有显著的提高，Si3N4晶粒异常长大，材料的散热通道逐渐增加，但是大晶粒使陶瓷的力学性能降低。在保证陶瓷具有一定力学性能的前提下，尽量升高烧成温度来提高陶瓷热导率，是制备综合性能优异的Si3N4陶瓷的关键。

烧结气氛方面，氮化硅陶瓷烧结采用氮气高压烧结。氮气气氛可以有效抑制Si3N4陶瓷的高温分解，从而使Si3N4陶瓷可以在更高的温度下进行烧结，促进Si3N4陶瓷的溶解沉淀进程，提高氮化硅α-β相转变，改善氮化硅陶瓷热导率。

Si3N4陶瓷基板制备

Si3N4陶瓷基板采用流延成型方法，将氮化硅与烧结助剂、有机粘结剂、溶剂、分散剂等按一定比例混合，制成分散均匀的浆料；该浆料再经真空脱泡后，在流延机上流延成柔韧性良好的氮化硅陶瓷薄片；然后，氮化硅陶瓷在气压保护条件下进行烧结研制出高导热氮化硅陶瓷基片。

 

Si3N4基板工艺流程（来源：张伟儒，《第3代半导体碳化硅功率器件用高导热氮化硅陶瓷基板最新进展》）  流延成型的浆料是决定素坯性能的关键因素，浆料包括粉体、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和其他添加剂。虽然流延成型相比于其他成型工艺有着独特的优势，但是在实际操作中由于应力的释放机制不同，容易使流延片干燥时出现弯曲、开裂、起皱、厚薄不均匀等现象。为了制备出均匀稳定的流延浆料和干燥后光滑平整的流延片，在保持配方不变的情况下，需要注意浆料的润湿性、稳定性和坯片的厚度等因素。  

 

流延成型的Si3N4基板（来源：张伟儒，《第3代半导体碳化硅功率器件用高导热氮化硅陶瓷基板最新进展》）  烧结方面，早期制备高导热Si3N4陶瓷材料，研究多采用热等静压烧结方法，但是热等静压烧结存在设备昂贵、操作复杂、制备成本高等问题。气压压力烧结、热压烧结和反应烧结重烧结烧结是目前制备高导热Si3N4陶瓷材料使用较多的烧结工艺。

Si3N4陶瓷基板产业化进展

目前，全球范围内可实现批量化制造高导热Si3N4陶瓷基板的企业全部在日本。其中东芝（Toshiba）产能达到10万m2/年、丸和（Maruwa）4万m2/年、电气化学（Denka）3万m2/年、京瓷（Kyocera）和日本精密陶瓷（JFC）1万m2/年，东芝材料的市场份额更是占到50%。   现在国内还没有企业真正完成氮化硅基板产业化，各高校、研究院所和企业都处于小批量研制阶段。中材高新氮化物陶瓷有限公司在“十三五”国家重点研发计划支持下，系统研究并突破了高导热Si3N4基板制备的技术关键和工程化技术问题，建立起年产10万片（114mm×114mm）中试生产线。   据相关报道，日本企业正在加快高导热Si3N4基板的产能扩充，如日本东芝材料计划2022年之前将产能扩充至14.6万m2/年；日本电气化学投资1.62亿元用于高导热Si3N4陶瓷片的产能扩充，预计2025年全部建成；日本精细陶瓷株式会社计划在2023年之前将产能提高10m2/年。   2020年6月，作为氮化铝基板全球领导者的日本德山公司，突然宣布进军Si3N4陶瓷材料，并公布他们已经开发了独有的节能、安全、环保且低成本的Si3N4基板生产技术。   目前中材高新氮化物公司正在计划建设年产年产200t高端Si3N4制品项目，主导产品为热等静压Si3N4轴承球和高导热Si3N4基板，预计2022年投产。   该项目的建成投产可填补我国在高导热Si3N4基板“卡脖子”的问题，实现自主可控，缩短国内外基板材料差距，有效提升国产大功率半导体器件的核心竞争力，服务支撑新能源汽车等战略性新兴产业的创新发展。
        责任编辑：彭菁