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氮化硅陶瓷基板走向半导体电子行业需要几步?

 时间:2022-01-15     浏览:50     分享

目前市场上所用的陶瓷材料主要有氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硅。相较于氧化铝和氮化铝,氮化硅陶瓷基板具有更卓越的力学性能,同时还具备较高的热导率以及极好的热辐射性和耐热循环性。需要采用氮化硅陶瓷作为基板,能够确保电路板具有较大的挠度、抗折断强度、抗热震性和热传导性,从而保证大功率模块在使用过程中可靠性,优异的性能使氮化硅成为一种优异的电子封装基板材料。

 

一、氮化硅陶瓷基板研究背景

氮化硅陶瓷基板主要研究对应是我国军工航天、高铁重工等领域上快速发展,能促使各项科技行业对大功率电子器件的需求逐步加大。为适应更为苛刻复杂的应用条件,大功率电子器件必须朝着耐高温、高频、低功耗及智能化、系统化、模块化的方向发展。延伸到功率器件的组成部件上来看,其中基板的作用就是吸收在芯片产生的热量,并且将热量传送到热沉,由此实现与外界的热交换。因此制备高热导率基板材料成功研发大功率模块电子产品的关键所在。

 

大功率散热基板材料要求具有低成本、高电绝缘性、高稳定性、高导热性及芯片匹配的热膨胀系数、平整性和较高的强度等。为了满足这些要求,一些研究人员将目光投向了金属氧化物、陶瓷、聚合物以及复合材料等,被实际应用的散热基板材料有氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化硼、氧化铍等。

 

研究人员用实验的方法证明了氮化硅陶瓷基板具有很高的热导率,且早热膨胀系数、机械性能、抗氧化性、电绝缘性、对环境的影响等各个方面进行了研究,结果都甚为满足,由此氮化硅被认为是一种很有发展潜力的高速电路和大功率电子器件的散热基板及封装材料。

二、氮化硅陶瓷基板研究现状

氮化硅陶瓷基板凭其优异性能吸引了众多国内外学者与研究机构的关注。Kitayama等人于2000年发现氧扩散进Si3N4晶格对于其热导率影响很大,所以低氧含量是提高氮化硅陶瓷热导率的关键。

 

近年来,上海硅酸盐研究所、清华大学等制备的氮化硅陶瓷热导率最高可达154W·m-1·K-1左右,也归因于使用氧含量较低的氮化硅粉体原料。然而高质量氮化硅粉的制备方法相对复杂,成本较高,这大大限制了氮化硅粉直接制备氮化硅陶瓷基板的产业化研究。

 

然而,Zhou等利用硅粉氮化的方法制备了热导率高达177W·m-1·K-1的氮化硅陶瓷。另外,随着太阳能技术的发展,高纯硅粉制备技术也已经非常成熟,粉体氧含量可以控制在较低水平。因此,采用高纯硅粉制备氮化硅陶瓷基板逐渐成为一条可行的途径。

 

为了进一步降低成本和提高性能,采用高纯硅粉流延后直接氮化烧结被业界公认为是较为合理的低成本技术路线。

 

然而,硅和氮之间的反应是一个放热反应过程。由于在反应过程中产生大量的热量,很容易引发硅的熔化(熔硅)。再则,由于陶瓷基板的尺寸大(大于100mm×100mm),厚度薄(约0.32mm),而纯硅粉在氮化过程中,如果控制不当,而出现“熔硅”,更容易导致具有薄片状特征的氮化硅陶瓷基板产生变形和开裂。为了实现较快速度氮化的同时,避免熔硅现象的出现,保证氮化硅陶瓷基板的高良品率,可以通过对催化剂和烧结助剂的研究,寻找合适的添加剂,另一方面,还可以采取硅粉结合氮化硅粉的方式制备氮化硅。由于硅粉氮化大量放热,在硅粉中加入氮化硅作为稀释剂,抑制熔硅的同时,也促进了硅粉氮化。

 

三、氮化硅陶瓷基板制作工艺

常见的氮化硅陶瓷基板成型方式主要有轧膜成型、干压成型、挤压成型、热压(烧结)成型、流延成型等。目前,商业用途的氮化硅陶瓷基板的厚度范围是0.30.6mm,为了实现大规模生产氮化硅陶瓷基板材料,通常选用流延成型制备氮化硅陶瓷基板材料,如下图所示。