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

第3代半導體一般指禁帶寬度大于2.2eV的半導體材料，也稱為寬禁帶半導體材料。半導體產業發展大致分為3個階段，以硅（Si）為代表的通常稱為第1代半導體材料；以砷化鎵為代表的稱為第2代半導體材料，已得到廣泛應用；而以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石等寬禁帶為代表的第3代半導體材料，由于其較第1代、第2代材料具有明顯的優勢，近年來得到了快速發展。SiC、GaN、ZnO等第3代半導體具有更寬的禁帶寬度、更高的導熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性，更適合制作大功率電子器件。而SiC以其獨特的排列結構，在材料綜合性能、產品技術成熟度及產業化發展等方面都凸顯出相對較高優勢，具有高臨界擊穿電場、高電子遷移率等特性，與GaN相比更適合制作功率器件，且已在新能源汽車、風電、光伏太陽能發電和LED照明等領域得到廣泛應用，如圖1所示。

然而，隨著第3代半導體SiC功率器件集成度和功率密度的明顯提高，相應工作產生的熱量急劇增加。因此，電子封裝系統的散熱問題已成為影響其性能和壽命的關鍵，要有效解決器件的散熱問題，必須選擇高導熱的基板材料。據統計，由熱引起的大功率器件失效高達55%。不僅如此，在新能源汽車、現代交通軌道等領域，大功率器件使用過程中還需要考慮顛簸、震動等復雜應用條件，這對基板等材料機械力學性能和可靠性提出了更高要求。綜合考慮，先進陶瓷材料以其具備高強度、高導熱、耐高溫、高耐磨性、抗氧化、熱膨脹系數低和抗熱震等熱、力性能，同時具有較好的氣密性，可隔離水汽、氧氣和灰塵等特點，成為大功率半導體器件基板的最佳材料，被廣泛應用到功率集成電路中。

1 陶瓷基板的性能要求

綜上，陶瓷基板材料通常要求應具有以下性能特點：

①優異的熱導率，高的熱導率代表了優異的散熱性能，直接影響功率器件的運行狀況和使用壽命；

②高的力學性能，尤其材料抗彎強度和斷裂韌性對功率器件可靠性有直接影響；

③良好的絕緣性和抗電擊穿能力；

④低的熱膨脹系數，與SiC襯底在熱膨脹系數的匹配上具有其他陶瓷不可替代的優勢；

⑤良好的高頻特性，即低的介電常數和低的介質損耗；

⑥表面光滑，厚度一致，便于在基板表面印刷電路，并確保印刷電路的厚度均勻。

2 陶瓷基板的種類及特點

氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4）4種材料是已經投入生產應用的主要陶瓷基板材料。各類基板材料的特點如下：

2.1 BeO陶瓷基板材料

BeO陶瓷基板材料最突出性能是導熱系數大，其室溫熱導率可達250W/（m·K），與金屬鋁相近，是氧化鋁6～10倍。遺憾的是，由于BeO陶瓷的粉末有劇毒，傷口接觸會難以愈合，長期吸入BeO粉塵會引起中毒甚至致命。此外BeO的毒性對周圍環境也會造成污染，由此致使BeO陶瓷基板難以產業化。

2.2 Al2O3陶瓷基板材料

作為技術成熟度最高的陶瓷基板材料，氧化鋁基板綜合性能較好，目前應用最成熟。Al2O3原料豐富、價格低廉，具有良好的絕緣性、化學穩定性及與金屬附著性，是功率器件最為常用的陶瓷基板。但是因其熱導率較低，僅為29W/（m·K），且熱 膨 脹 系 數（7.2×10-6/℃） 較 高，強度低、介電常數高等不利因素限制其在大功率模塊和集成電路中的應用。

2.3 AlN陶瓷基板材料

AlN陶瓷基板具有高導熱性、良好的絕緣性等特點，是目前Si基半導體材料中最為常用的陶瓷基板。但是AlN陶瓷機械強度低、易潮解以及較高的制造成本限制AlN基板的發展。

2.4 Si3N4陶瓷基板材料

Si3N4陶瓷是綜合性能最好的陶瓷基板材料，熱導率可達90～120W/（m·k），熱膨脹系數為3.2×10-6/℃，并具有優異的機械強度、良好的化學穩定性和抗熱沖擊性。盡管Si3N4陶瓷基板具有略低于AlN的導熱性，但其抗彎強度、斷裂韌性都可達到AlN的2倍以上，同時，Si3N4陶瓷基板的熱膨脹系數與第3代半導體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩定。氮化硅是國內外公認兼具高導熱、高可靠性等綜合性能最好的陶瓷基板材料，這使Si3N4成為第3代SiC半導體功率器件高導熱基板材料的首選。除BeO陶瓷基板外，其他3種陶瓷基板材料性能對比見表1。

3 高導熱Si3N4陶瓷材料的研究進展

Si3N4陶瓷材料被認為是綜合性能最好的結構材料。但是因其相對復雜的結構，可能形成較大的聲子散射，導致Si3N4一度被定義為低熱導率材料。值得慶幸的是，在1995年，Haggerty和Lightfoot等人借助固體傳輸理論，發現晶格缺陷和雜質是造成聲子的散射，使得Si3N4的熱導率低，并提出200～320W/（m·K）或許是β-Si3N4陶瓷熱導率的極值，這也為氮化硅作為高導熱材料提供了理論支撐。無獨有偶，借助分子動力學的方法，Hiroshi等重新計算了α-Si3N4和β-Si3N4單晶體的理論熱導率，得出二者具有差異性的高熱導率：α-Si3N4單晶理論熱導率沿a軸為105W/（m·K），c軸為225W/（m·K）；β-Si3N4單晶理論熱導率沿a軸為1 7 0 W / （ m·K ），c軸為450W/（m·K）。 1999年，Watar等人使用熱等靜壓法制備了熱導率155W/（m·K）Si3N4陶瓷材料，首次證明了Si3N4是一種極具潛力的高導熱材料。但很遺憾，Si3N4陶瓷的實際熱導率與理論熱導率是有很大差距的，究其影響原因主要有：晶格排布和體相氧、物相組成、晶界相含量、陶瓷氣孔及密度及其他雜質缺陷等。

3.1 原料粉體選擇研究

原料粉體的粒度、純度、物相是影響力高導熱氮化硅陶瓷學性能、熱導率的關鍵因素。內部雜質和晶格缺陷都會阻礙氮化硅陶瓷熱導率的提升。要選擇高純度高的氮化硅原料，尤其避免引入氧（O）、鋁（Al）元素。原因是，O元素可以形成晶格氧的晶格缺陷造成聲子的劇烈散射，Al元素固溶于Si3N4，將Si替換，形成低熱導率的Sialon相。不僅如此，原料粉體形貌也十分重要，小初始粒徑、大比表面積、具備“自形”晶的粉體具有良好的燒結活性，易制備出高致密度的成品。

3.2 燒結助劑的影響研究

氮化硅的強共價鍵使得其很難通過固相擴散達到燒結致密的目的，需要加入一定的添加劑。但燒結助劑由于自身的性質，它的存在也會對氮化硅陶瓷材料的熱導率造成不利影響，因此燒結助劑的選擇應考慮3個方面：首先應考慮活性好的燒結助劑，含量盡可能的減少，降低形成的晶界相，不影響氮化硅陶瓷的致密度；其次應考慮在燒結助劑在燒結過程中形成液較低相粘度，有利于氮化硅的相變以及晶粒的長大；第3個方面應考慮燒結助劑形成的晶界相易于晶化，并形成高導熱晶相。

燒結助劑主要分為氧化物和非氧化物2種，氧化物類燒結助劑最常見的為金屬氧化物和稀土氧化物的組合。研究發現陶瓷材料晶界層厚度隨稀土元素離子半徑增大而增加，氮化硅陶瓷熱導率隨著燒結助劑稀土元素陽離子半徑的增大而減小；含氧化鈣（CaO）的燒結助劑與含氧化鎂（MgO）相比，前者不利于氮化硅柱狀晶的生長，硬度較高，材料熱導率及強度普遍較低。介于此，氧化物三氧化二釔（Y2O3）—MgO是制備是高導熱氮化硅材料應用比較廣泛的燒結助劑。在選擇原料粉體時要盡量避免O元素的引入，燒結助劑的選擇也遵從這一原則，可以減少晶界玻璃相、凈化氮化硅晶格提高熱導率及高溫力學性能。因此，作為非氧化物燒結助劑的代表，氮化硅鎂（MgSiN2）、氟化釔（YF3）等成為了制備高導熱氮化硅陶瓷的常用助劑。研究表明：采用MgSiN2作為燒結助劑與采用MgO作為燒結助劑制備的氮化硅陶瓷相比熱導率的提升約為15%。

3.3 成型方法的影響研究

為了制備具有各向異性的陶瓷材料，可以通過成型方法調控晶粒的排列和生長進行，保證晶粒在一維或二維方向上能夠產生較好的定向效果。目前流延、軋膜、澆注和注射成型等高導熱氮化硅基板的成型方法中，流延成型被公認為最適合于工程化制備技術。Watari等人添加定量的β—Si3N4晶粒作為晶種，使用流延法制備出的氮化硅陶瓷中，Si3N4晶粒排列具有一定取向性。通過對燒結試樣流延成型方向和垂直流延方向的熱導率進行測試，發現熱導率差距較大，分別為155W/（m·K）和52W/（m·K）。由此表明，氮化硅陶瓷具有各向異性，Si3N4晶粒排列也呈現取向性，不同方向熱導率也不相同，并且在特定方向上具有較高的熱導率。

近年來出現一種新型高效的織構化手段—將強磁場與基本成型方法復合的成型方法。依靠該方法，能夠徹底實現陶瓷晶粒定向生長，且不受晶粒尺寸形貌和材料種類等元素的影響，研究表明磁場技術與陶瓷成型方法相結合是氮化硅基板成型技術重要的發展方向。

3.4 燒結方法的影響研究

制備高導熱Si3N4陶瓷材料的制備方法主要燒結方法主要有熱等靜壓燒結（HIP）、熱壓燒結（HPS）、反應燒結重燒結（SRBSN）和氣壓壓力燒結（GPS）。早期的研究多采用熱等靜壓燒結方法，但是熱等靜壓燒結存在設備昂貴、操作復雜、制備成本高等問題。氣壓壓力燒結、熱壓燒結和反應燒結重燒結燒結是目前制備高導熱Si3N4陶瓷材料使用較多的燒結工藝。工程化制備主要采用氣氛壓力燒結和反應燒結重燒結燒結2種方法，分別針對以Si3N4粉體和硅粉為原料。Si3N4陶瓷的導熱率的提高通常認為是與晶粒增大有關，因此通常選擇高的燒結溫度和長時間的保溫環境促進晶粒生長。高溫可以使α—Si3N4溶解沉淀向β—Si3N4發生相變，新生成的β—Si3N4晶粒晶格缺陷濃度較低，可以減少聲子的散射，從而可以提升熱導率。

3.5 氮化硅基板產業化進展

現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。中材高新材料股份有限公司（以下簡稱“中材高新”）的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。Si3N4基板工藝流程見圖2。

采用流延成型技術，通過Si3N4漿料性能指標優化，實現了Si3N4基板連續高效成型。流延板厚度可到達0.26～0.30mm，厚度可控制≤±5μm，見圖3。

由于Si3N4燒結收縮較大（通常為18%～20%），且厚度尺寸很薄。因此控制其燒結變形是關鍵之一，通過對Si3N4基板變形主動控制，實現了氣氛壓力燒結致密化制備。Si3N4基板密度可達到3.20g/cm3（達到相對密度為99%）。燒結后的Si3N4基板見圖4。

中材高新氮化物公司對Si3N4基板覆銅技術進行了系統研究，重點研究絲印及金屬化工藝對覆銅板剝離強度的影響規律和熱循環實驗考核，見圖5、6。熱循環實驗條件為：前1 700次為-40～150℃，后300次為-50～170℃。結果表明中材高新氮化物公司制備的Si3N4覆銅板經過2000次循環后無可見開裂或剝離現象，具備優異的穩定和可靠性。

4 高導熱Si3N4陶瓷材料的產業化進展及應用

隨著以SiC為襯底的第3代半導體芯片在新能源汽車、5G、新能源領域的快速推廣，Si3N4陶瓷基板需求也迎來了快速發展階段。國務院2020年發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》中也明確了新能源汽車在“十四五”以及未來的發展方向，強調要提升核心技術創新能力，完善質量保障體系和基礎設施建設，健全產業生態，實施新能源汽車基礎技術提升工程，突破效高密度驅動電機系統等關鍵技術和產品。全球及中國新能源汽車發展規劃見圖7。

根據圖7所示，以2025年全球電動汽車年銷售量為2500萬輛計算，SiC功率器件的占比按照多家投資機構推測的數據占比37%為基準，按照現有電動車用Si3N4陶瓷基板為1標準片（7.5×5.5英寸）/輛，客車等大型車輛為2標準片/輛的用量計算，2025年高導熱Si3N4基板的全球新增年需求量約為60萬m2。

目前，全球范圍內可實現批量化制造高導熱Si3N4陶瓷基板的企業全部在日本。其中東芝材料（Toshiba Materials）產能達到10萬m2/年、丸和（Maruwa）4萬m2/年、電氣化學（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%。中材高新氮化物公司制備的基板材料與日本各廠商產品指標對比見表2。

據相關報道，日本企業正在加快高導熱Si3N4基板的產能，如日本東芝材料計劃2022年之前將產能擴充至 14.6萬m2/年；日本電氣化學投資1.62億元用于高導熱Si3N4陶瓷片的產能擴充，預計2025年全部建成；日本精細陶瓷株式會社計劃在2023年之前將產能提高10m2/a。2020年6月作為氮化鋁基板全球領導者的日本德山公司，突然宣布進軍Si3N4陶瓷材料，并公布他們已經開發了獨有的節能、安全、環保且低成本的Si3N4基板生產技術。日本日立、丸和、東芝的Si3N4基板和覆銅板產品圖片見圖8、9、10。

目前中材高新氮化物公司正在計劃建設年產年產200t高端Si3N44制品項目，主導產品為熱等靜壓Si3N4軸承球和高導熱Si3N4基板，預計2022年投產。該項目的建成投產可填補我國在高導熱Si3N4基板“卡脖子”的問題，實現自主可控，縮短國內外基板材料差距，有效提升國產大功率半導體器件的核心競爭力，服務支撐新能源汽車等戰略性新興產業的創新發展。圖11是中材高新熱等靜壓Si3N4軸承球、圖12是中材高新高導熱Si3N4基板、圖13是中材高新新建高端Si3N4生產廠房。

5 結語

正是由于S i3N4陶瓷所具有的高熱導率、高強度、高韌性以及較低的膨脹系數等綜合性能，S i3N4被公認為第3代S i C半導體功率器件高導熱基板材料的首選并取得了很好的應用效果。可以肯定。隨著電動汽車、大功率電子電力器件的快速發展，S i3N4陶瓷基片必將迎來巨大的市場需求。我國在這一領域應進一步加強高校、科研院所和企業的協同合作，重點突破高導熱S i3N4基板產業化關鍵技術和裝備，全力打通S i3N4基板-精密加工-表面覆銅-考核應用產業鏈，盡快實現高導熱S i3N4基板的國產化。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.003

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