陶瓷基板材料的類型與優(yōu)缺點(diǎn)

隨著第3代半導(dǎo)體功率器件集成度和功率密度的明顯提高，相應(yīng)工作產(chǎn)生的熱量急劇增加，電子封裝系統(tǒng)的散熱問題已成為影響其性能和壽命的關(guān)鍵。 要有效解決器件的散熱問題，必須選擇高導(dǎo)熱的基板材料。近年來已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用較為廣泛的陶瓷基板主要有：Al2O3、BeO、SiC、AlN、Si3N4等。

作為技術(shù)成熟度最高的陶瓷基板材料，Al2O3基板綜合性能較好，目前應(yīng)用最成熟。Al2O3原料豐富、價(jià)格低廉，具有良好的絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性及與金屬附著性，是功率器件最為常用的陶瓷基板。但是因其熱導(dǎo)率較低，僅為29W/（m·K），且熱膨脹系數(shù)（7.2×10-6/℃）較高、強(qiáng)度低、介電常數(shù)高等不利因素限制其在大功率模塊和集成電路中的應(yīng)用。

BeO陶瓷基板材料最突出性能是導(dǎo)熱系數(shù)大，是氧化鋁6～10倍。遺憾的是，BeO陶瓷粉末有劇毒。

SiC陶瓷雖然具有很高的熱導(dǎo)率，但是其具有較高的介電損耗和較低的擊穿電壓，不利于應(yīng)用在高頻高壓的工作環(huán)境中。

AlN陶瓷基板具有高導(dǎo)熱性、良好的絕緣性等特點(diǎn)，是目前Si基半導(dǎo)體材料中最為常用的陶瓷基板。但是AlN陶瓷機(jī)械強(qiáng)度低、易潮解以及較高的制造成本限制了AlN基板的發(fā)展。

Si3N4陶瓷是綜合性能最好的陶瓷基板材料，熱導(dǎo)率可達(dá)90～120W/（m·k），熱膨脹系數(shù)為3.2×10-6/℃，并具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱沖擊性。

同時(shí)，Si3N4陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第3代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩(wěn)定，使Si3N4成為第3代SiC半導(dǎo)體功率器件高導(dǎo)熱基板材料的首選。

Si3N4陶瓷熱導(dǎo)率影響因素

原材料選取方面，高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷內(nèi)β相含量應(yīng)大于40%，隨著最終燒成的氮化硅陶瓷產(chǎn)品中β相比例逐漸增大，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率也逐漸增加。

但是，在原材料的晶型選擇方面，采用α-Si3N4粉末作為原材料，在燒結(jié)過程中由于粉體活性高，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力更高，更容易實(shí)現(xiàn)溶解沉淀機(jī)制，促進(jìn)氮化硅的α-β相變，最終得到高β相含量、熱導(dǎo)率高的氮化硅陶瓷；而采用β-Si3N4粉料為材料，雖然最終氮化硅陶瓷β相含量高，但其燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力小，陶瓷很難燒結(jié)致密，導(dǎo)致陶瓷內(nèi)部存在大量氣孔，降低陶瓷的熱導(dǎo)率。

研究表明，向Si3N4原料中加入一定量的β-Si3N4晶種，可促進(jìn)燒結(jié)過程中細(xì)小顆粒迅速溶解沉淀β-Si3N4晶上，促進(jìn)晶粒生長，晶界內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷排出，凈化晶格，從而提高熱導(dǎo)率。

在陶瓷燒結(jié)助劑選擇上，目前常用的金屬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，對燒結(jié)助劑的研究從單一的燒結(jié)助劑向兩種或兩種以上的復(fù)合燒結(jié)助劑發(fā)展。

研究發(fā)現(xiàn)，采用多種復(fù)合燒結(jié)助劑可明顯改善液相黏度，提高Si3N4陶瓷的高溫性能和熱學(xué)性能。

燒結(jié)溫度方面，Si3N4陶瓷燒成溫度一般在1700~1850℃之間。燒成溫度低于液相溫度時(shí)，陶瓷內(nèi)液相少、黏度高，無法實(shí)現(xiàn)氮化硅晶體重排和氣孔排出，陶瓷燒結(jié)致密度低，氣孔率高，內(nèi)部空氣的存在大大降低陶瓷導(dǎo)熱性能；提高燒成溫度在溶解沉淀作用下，晶粒重排和氣孔排出充分，陶瓷致密度高、氣孔率低，陶瓷導(dǎo)熱性能高；燒結(jié)溫度繼續(xù)升高時(shí)，致密度已經(jīng)達(dá)到一定程度，材料的密度不再有顯著的提高，Si3N4晶粒異常長大，材料的散熱通道逐漸增加，但是大晶粒使陶瓷的力學(xué)性能降低。在保證陶瓷具有一定力學(xué)性能的前提下，盡量升高燒成溫度來提高陶瓷熱導(dǎo)率，是制備綜合性能優(yōu)異的Si3N4陶瓷的關(guān)鍵。

燒結(jié)氣氛方面，氮化硅陶瓷燒結(jié)采用氮?dú)飧邏簾Y(jié)。氮?dú)鈿夥湛梢杂行б种芐i3N4陶瓷的高溫分解，從而使Si3N4陶瓷可以在更高的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，促進(jìn)Si3N4陶瓷的溶解沉淀進(jìn)程，提高氮化硅α-β相轉(zhuǎn)變，改善氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率。

Si3N4陶瓷基板制備

Si3N4陶瓷基板采用流延成型方法，將氮化硅與燒結(jié)助劑、有機(jī)粘結(jié)劑、溶劑、分散劑等按一定比例混合，制成分散均勻的漿料；該漿料再經(jīng)真空脫泡后，在流延機(jī)上流延成柔韌性良好的氮化硅陶瓷薄片；然后，氮化硅陶瓷在氣壓保護(hù)條件下進(jìn)行燒結(jié)研制出高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基片。

Si3N4基板工藝流程（來源：張偉儒，《第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展》） 流延成型的漿料是決定素坯性能的關(guān)鍵因素，漿料包括粉體、溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑和其他添加劑。雖然流延成型相比于其他成型工藝有著獨(dú)特的優(yōu)勢，但是在實(shí)際操作中由于應(yīng)力的釋放機(jī)制不同，容易使流延片干燥時(shí)出現(xiàn)彎曲、開裂、起皺、厚薄不均勻等現(xiàn)象。為了制備出均勻穩(wěn)定的流延漿料和干燥后光滑平整的流延片，在保持配方不變的情況下，需要注意漿料的潤濕性、穩(wěn)定性和坯片的厚度等因素。

流延成型的Si3N4基板（來源：張偉儒，《第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展》） 燒結(jié)方面，早期制備高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷材料，研究多采用熱等靜壓燒結(jié)方法，但是熱等靜壓燒結(jié)存在設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、制備成本高等問題。氣壓壓力燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)重?zé)Y(jié)燒結(jié)是目前制備高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷材料使用較多的燒結(jié)工藝。

Si3N4陶瓷基板產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

目前，全球范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)批量化制造高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷基板的企業(yè)全部在日本。其中東芝（Toshiba）產(chǎn)能達(dá)到10萬m2/年、丸和（Maruwa）4萬m2/年、電氣化學(xué)（Denka）3萬m2/年、京瓷（Kyocera）和日本精密陶瓷（JFC）1萬m2/年，東芝材料的市場份額更是占到50%。 現(xiàn)在國內(nèi)還沒有企業(yè)真正完成氮化硅基板產(chǎn)業(yè)化，各高校、研究院所和企業(yè)都處于小批量研制階段。中材高新氮化物陶瓷有限公司在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，系統(tǒng)研究并突破了高導(dǎo)熱Si3N4基板制備的技術(shù)關(guān)鍵和工程化技術(shù)問題，建立起年產(chǎn)10萬片（114mm×114mm）中試生產(chǎn)線。 據(jù)相關(guān)報(bào)道，日本企業(yè)正在加快高導(dǎo)熱Si3N4基板的產(chǎn)能擴(kuò)充，如日本東芝材料計(jì)劃2022年之前將產(chǎn)能擴(kuò)充至14.6萬m2/年；日本電氣化學(xué)投資1.62億元用于高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷片的產(chǎn)能擴(kuò)充，預(yù)計(jì)2025年全部建成；日本精細(xì)陶瓷株式會(huì)社計(jì)劃在2023年之前將產(chǎn)能提高10m2/年。 2020年6月，作為氮化鋁基板全球領(lǐng)導(dǎo)者的日本德山公司，突然宣布進(jìn)軍Si3N4陶瓷材料，并公布他們已經(jīng)開發(fā)了獨(dú)有的節(jié)能、安全、環(huán)保且低成本的Si3N4基板生產(chǎn)技術(shù)。 目前中材高新氮化物公司正在計(jì)劃建設(shè)年產(chǎn)年產(chǎn)200t高端Si3N4制品項(xiàng)目，主導(dǎo)產(chǎn)品為熱等靜壓Si3N4軸承球和高導(dǎo)熱Si3N4基板，預(yù)計(jì)2022年投產(chǎn)。 該項(xiàng)目的建成投產(chǎn)可填補(bǔ)我國在高導(dǎo)熱Si3N4基板“卡脖子”的問題，實(shí)現(xiàn)自主可控，縮短國內(nèi)外基板材料差距，有效提升國產(chǎn)大功率半導(dǎo)體器件的核心競爭力，服務(wù)支撐新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。
責(zé)任編輯：彭菁