氮化硅基板邂逅碳化硅功率模塊，國產(chǎn)新能源汽車性能狂飆

一、第3代半導(dǎo)體材料——碳化硅SiC性能優(yōu)勢明顯

碳化硅SiC是第3代寬禁帶半導(dǎo)體代表材料，具有熱導(dǎo)率高、擊穿電場高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優(yōu)勢，采用碳化硅SiC制材料制備的第3代半導(dǎo)體器件不僅能在較高溫度下穩(wěn)定運行，還能以較少的電能消耗，獲得更高效的運行能力。

相比于首代Si硅基半導(dǎo)體，第3代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅SiC具有2倍的極限工作溫度、10倍的擊穿電場強度、3倍的禁帶、超過2倍的飽和電子漂移速率、3倍的熱導(dǎo)率即3倍的冷卻能力。

▲ 1-3各代半導(dǎo)體材料性能對比

碳化硅SiC作為第3代半導(dǎo)體材料性能穩(wěn)定高效，廣泛應(yīng)用于電動汽車、充電設(shè)備、便攜式電源、儲能設(shè)備、通信設(shè)備、機械臂、飛行器、太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、高鐵等等眾多高電壓和高頻率工業(yè)領(lǐng)域。受益于5G通信、國防軍工、新能源汽車、新能源光伏和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的高速發(fā)展，碳化硅二極管、碳化硅MOSFET、碳化硅功率芯片、SiC碳化硅功率模塊等碳化硅功率器件市場規(guī)模急速膨脹。

二、AMB工藝氮化硅基板是第3代半導(dǎo)體材料碳化硅功率模塊器件封裝完美之選

目前，半導(dǎo)體電子器件行業(yè)廣泛應(yīng)用的陶瓷基板，通常按照基板材料劃分主要有Al2O3氧化鋁陶瓷基板、AlN氮化鋁陶瓷基板和Si3N4氮化硅陶瓷基板三種。

氧化鋁陶瓷基板優(yōu)劣勢。氧化鋁基板最常見，通常采用DBC工藝，氧化鋁基板低介電損耗、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、機械強度較高，其制造工藝成熟、且成本低廉，主要在中低端工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域有較大的市場需求。但是氧化鋁基板導(dǎo)熱性差，驟冷驟熱循環(huán)次數(shù)僅僅200余次，無法滿足日益發(fā)展的新能源電動汽車等第3代大功率半導(dǎo)體的應(yīng)用發(fā)展需求。

氮化鋁陶瓷基板優(yōu)劣勢。氮化鋁基板導(dǎo)熱率較高，具有優(yōu)良的絕緣性，DBC和AMB兩種工藝均有采用，氮化鋁基板的導(dǎo)熱性能好，且與第3代大功率半導(dǎo)體材料有很好的匹配性，但是氮化鋁基板機械性能和抗熱震性能差，不僅影響半導(dǎo)體器件可靠性，而且氮化鋁基板屬于高強度的硬脆材料，在復(fù)雜服役環(huán)境下，容易損壞，使用成本較高。

▲氮化硅陶瓷基板、氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板三種材料性能對比

氮化硅陶瓷基板優(yōu)劣勢。氮化硅基板綜合性能優(yōu)異可靠，主要采用活性金屬釬焊覆銅AMB工藝，氮化硅基板在高導(dǎo)熱性、高機械強度、低膨脹系數(shù)、抗氧化性能、熱腐蝕性能、低介電損耗、低摩擦系數(shù)等方面具有優(yōu)異的性能。它的理論熱導(dǎo)率高達400W/（m.k），熱膨脹系數(shù)約為3.0x10-6℃，與Si、SiC、GaAs等材料都有良好的匹配性，氮化硅基板的高強度和高導(dǎo)熱性能完全滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的第3代大功率半導(dǎo)體電子器件基板材料封裝要求。

氧化鋁基板和氮化鋁基板普遍使用的DBC直接覆銅工藝，DBC直接覆銅是利用共晶鍵合法工藝制備而成，覆銅層與氧化鋁基板和氮化鋁基板之間沒有粘結(jié)材料，采用氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板的半導(dǎo)體電子器件在高溫工作過程中，通常會因為銅和氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致覆銅層從氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板表面剝離，因此，采用傳統(tǒng)的DBC工藝的氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板已經(jīng)難以滿足大功率、高溫、高散熱、高可靠性的SiC碳化硅汽車電子功率器件模塊等第3代大功率半導(dǎo)體材料封裝要求。

采用AMB工藝氮化硅陶瓷覆銅基板則是利用包括鈦Ti、鋯Zr、鉭Ta、鈮Nb、釩V、鉿Hf等活性金屬元素可以潤濕陶瓷表面的特性，將覆銅層通過活性金屬釬料釬焊在氮化硅陶瓷基板上。通過活性金屬釬焊AMB工藝形成的銅與氮化硅陶瓷界面粘結(jié)強度更高，且氮化硅陶瓷基板相比Al2O3氧化鋁陶瓷基板和AlN氮化鋁陶瓷基板同時兼顧了優(yōu)異的機械性能和良好的導(dǎo)熱性，因此采用AMB工藝氮化硅陶瓷覆銅基板各方面性能比較均衡，在高溫下的工作可靠性能更強，所以說氮化硅陶瓷覆銅基板是氧化鋁陶瓷基板和氮化鋁陶瓷基板升級產(chǎn)品，是第3代半導(dǎo)體材料SiC汽車電子功率器件模塊封裝完美之選。

三、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源汽車開啟性能狂飆模式

碳化硅SiC作為第3代寬禁帶半導(dǎo)體材料，相對于第1代Si硅基半導(dǎo)體器件具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、擊穿電場高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等眾多技術(shù)優(yōu)勢，尤其是在高頻、高溫、高壓等工作場景中，有著易散熱、小體積、 高功率、低能耗等諸多明顯的優(yōu)勢特點。

當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅基板的優(yōu)異高強度和高導(dǎo)熱的綜合性能，完美配套升級碳化硅功率模塊的性能優(yōu)勢。氮化硅基板配套升級碳化硅功率模塊的寬禁帶特性有助于提高碳化硅器件的穩(wěn)定性，使其具備良好的耐高溫性、耐高壓性和抗輻射性，顯著提升器件功率密度，從而利于系統(tǒng)散熱與終端小型輕便化；氮化硅基板配套升級碳化硅功率模塊的高擊穿電場強度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，使其具備耐高壓性和低能耗性，利于器件體積薄化的同時提高系統(tǒng)驅(qū)動力；氮化硅基板配套升級碳化硅功率模塊的高飽和電子漂移速率特性意味著較低的電阻，顯著降低能量損失，簡化周邊被動器件，大幅提升開關(guān)頻率同時提高整機效率。

當下，新能源電動汽車爆發(fā)式增長的勢頭不可阻擋，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊，對提升新能源汽車加速度、續(xù)航里程、充電速度、輕量化、電池成本等各項性能尤為重要。全球眾多汽車廠商在新能源電動汽車車型上，大都采用了或者準備采用氮化硅陶瓷基板升級碳化硅二極管、碳化硅MOSFET，以及由碳化硅二極管與碳化硅MOSFET構(gòu)成的SiC功率模塊等碳化硅功率器件。據(jù)業(yè)內(nèi)資深機構(gòu)最新估計，隨著眾多基于800V及以上高壓平臺架構(gòu)的新能源汽車已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，以及隨著氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊產(chǎn)能提升成本價格下探，到2030年將有超過75%的新能源電動汽車電子功率器件領(lǐng)域采用AMB氮化硅陶瓷覆銅基板工藝升級的SiC功率模塊技術(shù)。

1、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源電動汽車開啟加速度性能

起步百公里加速時間是每一新款剛上市的新能源電動汽車的重要性能參數(shù)。新能源電動汽車加速性能與動力系統(tǒng)輸出的最大功率和最大扭矩密切相關(guān)，當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊技術(shù)允許驅(qū)動電機在低轉(zhuǎn)速時承受更大輸入功率，而且不懼因為電流過大所導(dǎo)致的熱效應(yīng)和功率損耗，這就意味著新能源電動汽車起步時，驅(qū)動電機可以輸出更大扭矩，提升加速度，強化加速性能。

2、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源電動汽車增加續(xù)航里程

續(xù)航里程是當前新能源電動汽車的主要痛點。當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊通過導(dǎo)通與開關(guān)兩個維度降低電能損耗，以最大限度地減少寄生效應(yīng)和熱阻，提升效率減少與DC-AC轉(zhuǎn)換有關(guān)的功率損耗，從而實現(xiàn)增加新能源電動汽車續(xù)航里程的目的。

3、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源電動汽車縮短充電時間

充電時間長短是評價一輛新能源電動汽車性能體驗感的重要參數(shù)，當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊高擊穿電場強度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，可在800V及以上的高壓平臺上搭配350kW以上超級充電樁，以提升充電速度，縮短充電時長。

4、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，有助于新能源電動汽車輕量化

當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊增強電氣和機械性能以及可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開關(guān)，減少濾波器，變壓器、電容、電感等無源器件的使用，從而減少系統(tǒng)體系和重量，相同功率等級下實現(xiàn)封裝體積尺寸更小。同時，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊且具有良好的熱導(dǎo)率，可以使器件模塊工作于較高的環(huán)境溫度中，從而減少散熱器體積和重量。SiC可以降低開關(guān)與導(dǎo)通損耗，使系統(tǒng)效率提升，同樣續(xù)航范圍內(nèi)，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。

5、當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源電動汽車降低電池成本

充電功率相同的情況下，當?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級SiC功率模塊實現(xiàn)新能源電動汽車在800V高壓快充架構(gòu)下的高壓線束直徑更小，相應(yīng)成本更低；氮化硅陶瓷基板升級SiC碳化硅功率模塊高熱導(dǎo)率實現(xiàn)新能源電動汽車電池散熱的更少，相對降低電池?zé)峁芾黼y度，進一步降低電池整體成本。

四、當國產(chǎn)氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，助力我國新能源汽車性能狂飆

2015年9月，威海圓環(huán)先進陶瓷股份有限公司開啟了高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板技術(shù)研發(fā)自主創(chuàng)新之路，在研制高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板過程中，抓住生產(chǎn)細節(jié)，把握技術(shù)核心，不斷發(fā)現(xiàn)和解決各類生產(chǎn)的難題，歷時七年，威海圓環(huán)生產(chǎn)的0.32mmX139.7mmX190.5mm行業(yè)標準規(guī)格的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板已經(jīng)達到量產(chǎn)的水平，解決了西方先進國家在高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的技術(shù)保護和應(yīng)用產(chǎn)品對我國“卡脖子”難題。

▲威海圓環(huán)行業(yè)標準規(guī)格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板

例如1：某次威海圓環(huán)內(nèi)部產(chǎn)品質(zhì)量分析會上，一位操作工人發(fā)現(xiàn)，V型混料機混料后的粉體不均勻，會造成部分產(chǎn)品的性能指標不合格。威海圓環(huán)的各級領(lǐng)導(dǎo)對這個細節(jié)問題十分重視，并要求相關(guān)部門進行針對性試驗，拿出科學(xué)數(shù)據(jù)，要從根本上解決這個質(zhì)量問題的隱患。通過對不同規(guī)格和不同形狀混料的研磨介質(zhì)材料進行多次對比試驗，發(fā)現(xiàn)加入適當比例的氮化硅陶瓷微珠，可以有效解決V型混料機的混料不均勻的問題。就這樣，設(shè)備還是原來的設(shè)備，混料研磨介質(zhì)材料的形狀、粒徑大小和填充比例做了細微的改變，解決了生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，使得產(chǎn)品的質(zhì)量得到了可靠的保障。

例如2：在研制生產(chǎn)高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的粉體材料配方過程中，為了降低晶格氧含量來制得高熱導(dǎo)率的氮化硅，從原料粉體選擇、燒結(jié)劑的選擇開始，威海圓環(huán)采購了國內(nèi)外多個廠家的氮化硅粉體進行對比試驗。當時為了氮化硅陶瓷導(dǎo)熱率這一個參數(shù)，威海圓環(huán)幾乎買遍了國內(nèi)外的所有稀元素品種，就這樣“日復(fù)一日，年復(fù)一年”，做實驗樣品—燒結(jié)—測試，這樣的過程進行了上千次的重復(fù)，經(jīng)過長時間的不懈努力，威海圓環(huán)氮化硅試塊的導(dǎo)熱率穩(wěn)定的達到了80W/(k.m)以上，解決了高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的配方問題。

例如3：自主研發(fā)氮化硅陶瓷基板專用裝備最重要的是氣壓燒結(jié)爐，由于是盲跑，國內(nèi)燒結(jié)爐生產(chǎn)廠家無法提供填爐、燒結(jié)工藝的支持，從原材料的甄選，備品備件等，所有的環(huán)節(jié)都需要自主研發(fā)。高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的平整度指標，是影響良品率的重要因素，受燒結(jié)設(shè)備、燒結(jié)工藝參數(shù)和裝缽工藝等綜合因素的影響，在整爐基板平整度合格率方面威海圓環(huán)就經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗，基板的合格率總是達不到理想的水平。最終威海圓環(huán)發(fā)現(xiàn)是由于燒結(jié)位置的不同，基板氣壓燒結(jié)爐內(nèi)溫度場的不均勻等，是造成基板平整度合格率低的重要原因。于是威海圓環(huán)聘請專業(yè)窯爐設(shè)計人員參與對氣壓燒結(jié)爐進行針對性的熱場優(yōu)化和控制優(yōu)化設(shè)計，成功制造出高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板專用的氣氛氣壓燒結(jié)爐。正所謂“工欲善其事，必先利其器”，新型的專用窯爐作為“母機”使高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的燒結(jié)過程變得穩(wěn)定而可控，又完成了一次基礎(chǔ)專業(yè)設(shè)備的自主設(shè)計制造的跨越。

諸如此類的生產(chǎn)技術(shù)難題，威海圓環(huán)先進陶瓷股份有限公司在研制高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板過程中，始終堅持抓生產(chǎn)細節(jié)，抓核心技術(shù)難點，發(fā)現(xiàn)和解決各類生產(chǎn)的難題近百個，歷時七年之久，威海圓環(huán)生產(chǎn)的0.32mmX139.7mmX190.5mm行業(yè)標準規(guī)格的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板已經(jīng)達到量產(chǎn)的水平，終于解決了西方先進國家在高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的技術(shù)保護和應(yīng)用產(chǎn)品對我國“卡脖子”難題。

▲威海圓環(huán)生產(chǎn)高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板各項理化指標達到了國際上行業(yè)標準

威海圓環(huán)生產(chǎn)的氮化硅陶瓷基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、高機械強度、低膨脹系數(shù)等眾多優(yōu)良性能。威海圓環(huán)氮化硅陶瓷基板熱導(dǎo)率高達85W/（m.k），熱膨脹系數(shù)約為3.0x10-6℃，與SiC碳化硅材料具有良好的匹配性。威海圓環(huán)氮化硅陶瓷基板遠高于300A的電流承載能力輕松應(yīng)對高壓擊穿，能在800V甚至1000V的電壓平臺下正常工作；威海圓環(huán)氮化硅陶瓷基板三點彎曲強度達600Mpa，超高斷裂韌性能有效減少因釬焊界面不致密而出現(xiàn)較多空洞而誘發(fā)的裂紋，威海圓環(huán)生產(chǎn)的氮化硅陶瓷基板將成為國產(chǎn)SiC碳化硅汽車電子功率器件模塊封裝完美之選。

隨著國產(chǎn)新能源電動汽車爆發(fā)式發(fā)展，威海圓環(huán)生產(chǎn)的氮化硅陶瓷基板通過升級SiC碳化硅功率模塊性能，將為提升國產(chǎn)新能源汽車加速度、續(xù)航里程、輕量化、充電速度、電池成本等各項性能優(yōu)勢做出貢獻，威海圓環(huán)助力中國新能源汽車開啟性能狂飆模式。

威海圓環(huán)先進陶瓷股份有限公司是專業(yè)從事Si?N?高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷基板、氮化硅微珠、氮化硅陶瓷球、氮化硅陶瓷磨介環(huán)、氮化硅陶瓷磨介球、可重復(fù)利用的高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝、氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件等系列氮化硅精密陶瓷材料的生產(chǎn)企業(yè)。高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板可以按用戶特殊要求定制。關(guān)于高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷基板的性能、規(guī)格、技術(shù)參數(shù)等問題——威海圓環(huán) 顏輝l86O64ll446隨時歡迎各位同行、各位同仁交流探討！氮化硅基板邂逅碳化硅功率模塊，國產(chǎn)新能源汽車性能狂飆。

▲威海圓環(huán)行業(yè)標準規(guī)格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板

威海圓環(huán)多年來與海內(nèi)外先進陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)軍人物建立了深厚的技術(shù)合作關(guān)系，在國內(nèi)精密陶瓷材料領(lǐng)域具有一定權(quán)威和建樹的高等院校和科研機構(gòu)建立了校企研發(fā)合作關(guān)系，擁有了一批多年從事研制、開發(fā)的中高級技術(shù)人員和管理人員，使我們具有精湛的技術(shù)、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、高效的管理水平。威海圓環(huán)公司研發(fā)及生產(chǎn)測試團隊具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗，核心工程師擁有十余年的精密陶瓷技術(shù)積累和強大的應(yīng)用開發(fā)能力。威海圓環(huán)始終致力于高性能及高可靠性氮化硅陶瓷設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)銷售，打造高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷基板生產(chǎn)領(lǐng)軍品牌，持續(xù)通過技術(shù)創(chuàng)新為客戶及時提供高性價比的氮化硅陶瓷材料產(chǎn)品和服務(wù)。

氮化硅基板邂逅碳化硅功率模塊，國產(chǎn)新能源汽車性能狂飆（顏輝）

審核編輯 黃宇