驅(qū)動氮化硅基板市場的三大因素

氮化硅陶瓷基板是一個很難搞的材料，想要獲得一塊熱導率及力學性能可以滿足要求的氮化硅基板實在不易。但導熱能力好（Toshiba商業(yè)化氮化硅基板熱導率可達85-95W/m•K）、力學性能好，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度高導熱電子器件基板材料。具體是什么驅(qū)動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領域的應用也是很被看好。
基于SiC的優(yōu)點，可以實現(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重要使用SiC功率芯片和優(yōu)化包裝的第一個模塊與傳統(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)實去采用更為簡單的封裝結(jié)構(gòu)

第二、電動汽車的快速發(fā)展
近年來，環(huán)境更為友好的電動汽車發(fā)展勢頭迅猛，在xEV（混合動力汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池電動汽車等電動汽車的總稱）驅(qū)動電機控制功率模塊中，絕緣基板不僅需要絕緣導熱能力好，還需要抵抗溫度循環(huán)產(chǎn)生的應用。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SiCMOSFET模塊

第三、其他極端應用條件的需求
另外一個驅(qū)動氮化硅陶瓷基板發(fā)展的一個重要因素是有時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從而減低應用成本。以風力渦輪機為例，在所有環(huán)境條件下，風力渦輪機的預期使用壽命為15年，期間不會發(fā)生故障。為了達到這個目標，風力渦輪機的設計者也在尋求一個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在是真耐打。
總的來說，高功率的應用、高導熱的需求、新的封裝方法及更長使用壽命要求是驅(qū)動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熱系數(shù)，彎曲強度和斷裂韌性。高導熱率是功率模塊快速散熱的關鍵，同時，抗彎強度對于陶瓷基板在封裝流程中的處理和使用非常重要，而斷裂韌性是預測可靠性的關鍵。
如上表所示，Al2O3（96％）顯示出低導熱率和低機械值，盡管如此，24W/mK的導熱率還是足以滿足當今許多標準工業(yè)應用的需求。AlN的最大優(yōu)點是盡管具有中等可靠性，卻具有180W/mK的極高導熱率。
對更高可靠性的日益增長的需求推動了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度和斷裂韌性。但不幸的是，ZTA陶瓷的熱導率與標準Al2O3處于同一范圍，因此在功率密度最高的高功率應用中依然是使用受限。
而兼具高導熱性和高機械性能的Si3N4其導熱系數(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。