中國粉體網訊 新能源車的電機驅動部分，最核心的元件就是IGBT。IGBT約占電機驅動系統成本的一半，而電機驅動系統占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，IGBT的質量很大一部分也決定了整車的能源效率。
圖片來源：比亞迪官網
IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管，電動汽車用IGBT模塊的功率導電端子需要承載數百安培的大電流，對電導率和熱導率有較高的要求，車載環境中還要承受一定的振動和沖擊力，機械強度要求高。近年來，Si3N4陶瓷基板以其硬度高、機械強度高、耐高溫和熱穩定性好、介電常數和介質損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優異的性能，被認為是綜合性能最好的陶瓷材料，在IGBT模塊封裝中得到青睞，并逐步替代Al2O3和AlN陶瓷基板。
1 氮化硅陶瓷基板性能優勢
目前市場上所用的陶瓷材料主要有氮化鋁、氧化鋁和氮化硅。相較于氧化鋁和氮化鋁，氮化硅陶瓷具有更卓越的力學性能；同時還具備較高的熱導率以及極好的熱輻射性和耐熱循環性。采用氮化硅陶瓷作為基板，能夠確保電路板具有較大的撓度、抗折斷強度、抗熱震性和熱傳導性，從而保證大功率模塊在使用過程中可靠性，優異的性能使氮化硅成為一種優異的電子封裝基板材料。
氮化硅基片（圖片來源：中材高新氮化物陶瓷有限公司）
氮化硅陶瓷基板更適用于機械振動大、熱沖擊大、電流沖擊大以及具有高可靠性高穩定性要求的應用場合，如航天航空、軌道交通、電動汽車、光伏逆變、智能電網等。
2 氮化硅陶瓷基板的研究現狀
氮化硅陶瓷基板憑其優異性能吸引了眾多國內外學者與研究機構的關注。Kitayama等人于2000年發現氧擴散進Si3N4晶格對于其熱導率影響很大，所以低氧含量是提高氮化硅陶瓷熱導率的關鍵。
近年來，上海硅酸鹽研究所、清華大學等制備的氮化硅陶瓷熱導率最高可達154W·m-1·K-1左右，也歸因于使用氧含量較低的氮化硅粉體原料。然而高質量氮化硅粉的制備方法相對復雜，成本較高，這大大限制了氮化硅粉直接制備氮化硅陶瓷基板的產業化研究。
然而，Zhou等利用硅粉氮化的方法制備了熱導率高達177W·m-1·K-1的氮化硅陶瓷。另外，隨著太陽能技術的發展，高純硅粉制備技術也已經非常成熟，粉體氧含量可以控制在較低水平。因此，采用高純硅粉制備氮化硅陶瓷基板逐漸成為一條可行的途徑。
為了進一步降低成本和提高性能，采用高純硅粉流延后直接氮化燒結被業界公認為是較為合理的低成本技術路線。
然而，硅和氮之間的反應是一個放熱反應過程。由于在反應過程中產生大量的熱量，很容易引發硅的熔化（熔硅）。再則，由于陶瓷基板的尺寸大（大于100mm×100mm），厚度薄（約0.32mm），而純硅粉在氮化過程中，如果控制不當，而出現“熔硅”，更容易導致具有薄片狀特征的氮化硅陶瓷基板產生變形和開裂。為了實現較快速度氮化的同時，避免熔硅現象的出現，保證氮化硅陶瓷基板的高良品率，可以通過對催化劑和燒結助劑的研究，尋找合適的添加劑，另一方面，還可以采取硅粉結合氮化硅粉的方式制備氮化硅。由于硅粉氮化大量放熱，在硅粉中加入氮化硅作為稀釋劑，抑制熔硅的同時，也促進了硅粉氮化。
3 氮化硅陶瓷基片制備工藝
3.1成型工藝
常見的氮化硅陶瓷基板成型方式主要有軋膜成型、干壓成型、擠壓成型、熱壓（燒結）成型、流延成型等。目前，商業用途的氮化硅陶瓷基板的厚度范圍是0.3～0.6mm，為了實現大規模生產氮化硅陶瓷基板材料，通常選用流延成型制備氮化硅陶瓷基板材料，其工藝流程圖如下圖。
流延成型工藝流程圖
先在陶瓷粉體中加入分散劑球磨，避免顆粒團聚，并使溶劑（一般分為水基溶劑或有機溶劑）潤濕粉體；然后加入粘結劑和增塑劑，通過一定時間的二次球磨獲得穩定性好、均一的漿料；再將漿料進行真空脫泡，獲得黏度合適的漿料；經過過濾以及一定時間的靜置陳化，使漿料更穩定；通過流延機流延成具有一定面積的平整素坯膜；最后進行干燥，使溶劑蒸發，粘結劑在陶瓷粉末之間形成網狀結構，得到厚膜生坯。
流延成型也可以控制晶粒定向排列，促進晶粒定向生長，從而提高在晶粒生長方向的熱導率。流延成型因其成本低、工藝穩定性高、成品率高被廣泛應用于薄片陶瓷的制造。
雖然流延成型相比于其他成型工藝有著獨特的優勢，但是在實際操作中由于應力的釋放機制不同，容易使流延片干燥時出現彎曲、開裂、起皺、厚薄不均勻等現象。為了制備出均勻穩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、穩定性和坯片的厚度等因素。
3.2 燒結工藝
Si3N4陶瓷是一種強共價鍵化合物，很難通過固相燒結達到致密，所以一般采用液相燒結來制備。對于高性能Si3N4陶瓷的制備而言，最首要的是使其在燒結過程中達到致密。Si3N4陶瓷材料常見的燒結方式有常壓燒結、熱壓燒結、反應燒結、燒結反應重燒結、氣壓燒結、熱等靜壓燒結等幾種。
氣壓燒結(GPS)能在氮氣的氛圍中通過加壓、加熱使氮化硅迅速致密，促進α→β晶型的快速轉變，有助于提高氮化硅陶瓷的熱導率。放電等離子燒結(SPS)工藝是一種實現壓力場、溫度場、電場共同作用的試樣燒結方式，具有升溫速率快、燒結溫度低、燒結時間短等優點。燒結反應重燒結(SRBSN)由于是以Si粉為原料經過氮化得到多孔的Si3N4燒結體，進而再燒結形成致密的氮化硅陶瓷，比一般以商用α-Si3N4為原料制備的氮化硅陶瓷具有更低的氧含量而受到研究者的青睞。在實現氮化硅陶瓷大規模生產時，需要考慮成本、操作難易程度和生產周期等因素，因此找到一種快速、簡便、低成本的燒結工藝是關鍵。
4 氮化硅基板產業化進展
目前我國的商用高導熱Si3N4陶瓷基片與國外還是存在差距�，F在國內還沒有企業真正完成氮化硅基板產業化，各高校、研究院所和企業都在積極的進行產業化研究，目前實驗室研制的Si3N4基板已達到或接近日本產品水平，國內多家企業正在加快產業化進程。同時，由于Si3N4基板還需要進行覆銅處理以及應用端考核，因此國內Si3N4基板要達到應用化水平還有一段距離。
中材高新氮化物陶瓷有限公司（以下簡稱“中材高新氮化物公司”）在“十三五”國家重點研發計劃支持下，系統研究并突破了高導熱Si3N4基板制備的技術關鍵和工程化技術問題，通過Si3N4粉體改性處理、晶格氧含量及晶界相控制、微觀組織定向排布等多種技術組合，以及突破了材料均化、成型、燒結、表面處理及覆銅除了等多個制備工藝技術，研制出及高導熱、高可靠性于一體綜合和性能優異的半導體絕緣基板材料，建立起年產10萬片（114mm×114mm）中試生產線。
參考來源：
【1】張偉儒.第3代半導體碳化硅功率器件用高導熱氮化硅陶瓷基板最新進展.新材料產業.2021.
【2】廖圣俊，等.高導熱氮化硅陶瓷基板研究現狀.材料導報.2020.
【3】李文杰.硅粉原位氮化結合氮化硅粉制備氮化硅陶瓷及基板.2018.
【4】斯利通陶瓷線路板《氮化硅陶瓷基板應用——新能源汽車核心IGBT》.2021.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
注：圖片非商業用途，存在侵權請告知刪除！
