【原創】氮化硅陶瓷基板與新能源汽車的邂逅

中國粉體網訊  目前，對保護環境和節約能源的呼聲高漲，使得國內的新能源電動汽車倍受關注。大功率封裝器件在調控汽車速度和儲存-轉換交流和直流上發揮著決定性作用。而高頻率的熱循環對電子封裝的散熱提出了嚴格的要求，同時工作環境的復雜性和多元性需要封裝材料具有較好的抗熱震性和高強度來起到支撐作用。此外，隨著以高電壓、大電流和高頻化為主要特征的現代電力電子技術的高速發展，應用于該技術的功率模塊散熱效率更成為了關鍵。電子封裝系統中的陶瓷基板材料是高效散熱的關鍵，同時為了應對工作環境的復雜化也應具有高強度和高可靠性。

近年來已經大規模生產、應用較為廣泛的陶瓷基板主要有：Al₂O₃、BeO、SiC、Si₃N₄、AlN等。

不同種類陶瓷基板的性能（來源：廖圣俊.基片用氮化硅陶瓷材料的制備及性能研究）

Al₂O₃由于其制備工藝簡單、絕緣性好，且耐高溫，目前在散熱基板行業中占有重要的地位。但是Al₂O₃的熱導率較低，無法滿足高功率大電壓器件發展要求，只適用于對散熱要求較低的工作環境，而且由于彎曲強度較低也限制了Al₂O₃陶瓷作為散熱基板的應用范圍。

BeO陶瓷基板雖然具有較高的熱導率和較低的介電常數，滿足高效散熱的要求，但是由于其具有毒性，對工作人員的健康產生影響，不利于大規模應用。

AlN陶瓷具有較高的熱導率，被認為是散熱基板的候選材料。但AlN陶瓷抗熱震性能差，易潮解，強度韌性較低，不利于在復雜的環境中工作，難以保證其應用的可靠性。

SiC陶瓷雖然具有很高的熱導率，但是由于其具有較高的介電損耗和較低的擊穿電壓，不利于應用在高頻高壓的工作環境中。

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。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陶瓷的熱導率遠大于Al₂O₃陶瓷；此外，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。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。

本篇，小編就盤點一下Si₃N₄陶瓷基板在新能源汽車上面的那些應用。

氮化硅導熱基板（來源：?？酥Z新材料(大連)有限公司）

Si IGBT

IGBT是新能源汽車電機控制系統的核心器件，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。

IGBT投入市場這么多年以來，其自身的潛力已經挖掘的差不多了，大家都把精力轉移到IGBT的封裝上，也就是散熱。車用IGBT的散熱效率要求比工業級要高得多，逆變器內溫度極高，同時還要考慮強振動條件，車規級的IGBT遠在工業級之上。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。

對于車用IGBT，氮化硅是再適合不過的。氮化硅陶瓷電路板可以適應高溫高壓的工作環境。能及時散去電源系統中的高熱量，能適應汽車內部惡劣的環境，各大功率負載的正常運行的同時，保護芯片正常工作。延長電子設備的使用周期。節約更多空間，為新能源汽車提供更多可能性。

SiC MOSFET

在新能源汽車的核心電機驅動中，采用SiC MOSFET器件比傳統Si IGBT帶來5%～10%續航提升，未來將會逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面積小，對散熱要求高，氮化硅陶瓷基板具備優異的散熱能力和高可靠性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車領域主驅應用的必選項。

目前已經量產的Tesla model 3已經大批量使用氮化硅陶瓷基板，應對SiC MOSFET器件散熱。

比亞迪e3.0平臺推出的全新一代SiC電控，采用了自主研發的全新SiC MOSFET電機控制模塊、高性能氮化硅陶瓷以及集成NTC傳感器，使整個電控單元功率密度提升近30%，電流最大支持840A，電壓最大1200V，電控最高效率達99.7%。

小結

全球汽車的形態和格局正在重塑，5G時代下汽車“電動化、智能化、網聯化、共享化”發展已是大勢所趨。新能源汽車需要氮化硅陶瓷基板，而氮化硅陶瓷基板必將在未來很長一段時間，隨著新能源汽車的浪潮發光發熱。

參考資料：

1、中國粉體網《新能源汽車IGBT封裝材料的新星——氮化硅陶瓷基板》

2、驅動視界《新能源汽車800V高壓平臺和SiC應用》

3、廖圣俊《基片用氮化硅陶瓷材料的制備及性能研究》

4、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》

（中國粉體網編輯整理/長安）

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