隨著集成電路的發(fā)展，半導(dǎo)體器件集成度和功率密度明顯提高，相應(yīng)工作產(chǎn)生的熱量急劇增加，據(jù)統(tǒng)計，由熱引起的大功率器件失效高達(dá)55%。要解決電路散熱問題，首先需要找到電子封裝系統(tǒng)中影響散熱的部位?；遄鳛槌休d集成電路芯片的載體，與電路直接接觸，因此電路產(chǎn)生的熱量需要通過基板向外疏散。為了電路能更好散熱，需要基板材料具備高熱導(dǎo)性能。
不僅如此，在新能源汽車、現(xiàn)代軌道交通等領(lǐng)域，大功率器件使用過程中還需要考慮顛簸、震動等復(fù)雜應(yīng)用條件，這對基板材料機械力學(xué)性能和可靠性提出了更高要求。
相比其他材料，陶瓷類基板性能更加優(yōu)異，因此選擇陶瓷材質(zhì)作為基板會有更加廣闊的前景。
可以作為基板使用的陶瓷材料主要有：AlN、Al2O3、SiC、BeO、Si3N4等。BeO陶瓷基板雖然具有高熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)，但其粉體具有毒性，危害健康，目前已很少使用。SiC性質(zhì)穩(wěn)定，但其介質(zhì)損耗很高，擊穿電壓較低，不能應(yīng)用在高壓工作環(huán)境。Al2O3陶瓷基板的應(yīng)用歷史最長也最為成熟，但是由于Al2O3的理論與實際熱導(dǎo)率都很低，不能滿足大電路的散熱要求，只能用于小型電路。與之相比，AlN陶瓷兼具熱導(dǎo)率高、絕緣性好、介電常數(shù)低等特點，但AlN同樣存在無法忽視的缺點，包括材料易水解、強度與韌性不夠高、易碎等。因此，迫切需要一種性能更加穩(wěn)定的陶瓷材料來彌補AlN的局限。
幾種基板材料性能對比
與其它材料相比，氮化硅陶瓷由于具有高熱導(dǎo)率（其晶體的熱導(dǎo)率可高達(dá)320Ｗ·ｍ-1·Ｋ-1）、低介電常數(shù)、無毒、以及熱膨脹系數(shù)與單晶Si相匹配等特點被公認(rèn)為高導(dǎo)熱陶瓷基板的首選材料。
一直以來，全球范圍內(nèi)可實現(xiàn)批量化制造高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的企業(yè)基本都在日本。其中東芝材料產(chǎn)能達(dá)到10萬m2/年、丸和4萬m2/年、電氣化學(xué)3萬m2/年、京瓷和日本精密陶瓷各1萬m2/年。東芝材料的市場份額更是占到50%。
據(jù)相關(guān)報道，日本企業(yè)正在加快提升高導(dǎo)熱氮化硅基板的產(chǎn)能，如東芝材料計劃2022年之前將產(chǎn)能擴充至14.6萬m2/年；日本電氣化學(xué)投資1.62億元用于高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷片的產(chǎn)能擴充，預(yù)計2025年全部建成；日本精細(xì)陶瓷株式會社計劃在2023年之前將產(chǎn)能提高10m2/a。2020年6月作為氮化鋁基板全球領(lǐng)導(dǎo)者的日本德山公司，突然宣布進(jìn)軍氮化硅陶瓷材料，并公布他們已經(jīng)開發(fā)了獨有的節(jié)能、安全、環(huán)保且低成本的氮化硅基板生產(chǎn)技術(shù)。
一直以來，由于特殊技術(shù)要求，加上設(shè)備投資大、制造工藝復(fù)雜，高性能氮化硅陶瓷基板核心制造技術(shù)被以上幾個大公司掌控，而我國一直處于努力追趕狀態(tài)。
成立于2017年的浙江正天新材料科技有限公司（以下簡稱“正天新材”）通過自主創(chuàng)新，掌握了流延、裁切、沖片、燒結(jié)及后道CNC、研磨、拋光、激光切割等完整加工鏈核心技術(shù)，開發(fā)出了高導(dǎo)熱、高性能的 氮化硅陶瓷基板產(chǎn)品，在高性能氮化硅陶瓷基板方面實現(xiàn)了重要突破，這也讓一直處于被“卡脖子”狀態(tài)的我們看到了同日企“掰腕子”的希望。
解決Si3N4基板性能穩(wěn)定大批量生產(chǎn)的行業(yè)難題
盡管氮化硅陶瓷基板被公認(rèn)為綜合性能最佳的散熱基板，但在實際生產(chǎn)中需要解決兩個棘手的難題，即實現(xiàn)“高導(dǎo)熱”和“持續(xù)穩(wěn)定的大批量生產(chǎn)”。
要實現(xiàn)“高導(dǎo)熱”，必離不開優(yōu)質(zhì)的氮化硅粉體以及科學(xué)、先進(jìn)的制備工藝。原材料方面，正天新材在全球范圍內(nèi)選擇優(yōu)質(zhì)的氮化硅粉體，在源頭上即保證了氮化硅基板的“優(yōu)良基因”。
對氮化硅基板來說，持續(xù)穩(wěn)定的大批量生產(chǎn)是一個行業(yè)難題，它既需要可保證基板避免曲翹、開裂等現(xiàn)象出現(xiàn)的穩(wěn)定工藝，又需要實現(xiàn)高效率的連續(xù)性操作。
憑借先進(jìn)的工藝與設(shè)備，正天新材在攻克高導(dǎo)熱、高性能氮化硅基板方面已經(jīng)走在了行業(yè)前列，目前公司已穩(wěn)定批量生產(chǎn)熱導(dǎo)率可達(dá)85W/(m?k)，熱膨脹系數(shù)為2.7×10-6/℃，并具有優(yōu)異的機械強度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱沖擊性的大尺寸（138mm*190.5mm）、低翹曲度（≤200μm）的氮化硅陶瓷基板產(chǎn)品。
正天新材氮化硅陶瓷基板產(chǎn)品尺寸
隨著以SiC為襯底的第3代半導(dǎo)體芯片在新能源汽車、5G的快速推廣，氮化硅陶瓷基板需求也迎來了快速發(fā)展階段。
據(jù)預(yù)測，2025年全球電動汽車年銷售量將突破2500萬輛，SiC功率器件的占比按照多家投資機構(gòu)推測的數(shù)據(jù)占比37%為基準(zhǔn)，按照現(xiàn)有電動車用Si3N4陶瓷基板為1標(biāo)準(zhǔn)片（7.5×5.5英寸）/輛，客車等大型車輛為2標(biāo)準(zhǔn)片/輛的用量計算，2025年高導(dǎo)熱氮化硅基板的全球新增年需求量約為60萬m2。
這也僅僅是在新能源汽車領(lǐng)域的市場預(yù)測。除此之外，充電系統(tǒng)、LED等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅艿杼沾苫宓男枨笠苍跇O速增長。
大環(huán)境方面，2018年以來，逆全球化思潮抬頭，單邊主義、保護(hù)主義明顯上升，國外對中國高科技公司采取原料禁售、技術(shù)封鎖、加征貿(mào)易關(guān)稅等“特殊”措施，對相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生明顯沖擊。疫情對全球供應(yīng)鏈沖擊、歐洲能源危機等，進(jìn)一步加劇逆全球化行為，對全球產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
鑒于此，目前我國制造業(yè)急切期盼出現(xiàn)更多的突破“卡脖子”的技術(shù)型企業(yè)。例如，就正天新材來說，通過自主創(chuàng)新，解決了我國高性能、大尺寸氮化硅陶瓷基板被卡脖子的現(xiàn)狀，在全面提升自身競爭能力的同時，補足我國氮化硅陶瓷基板這一關(guān)鍵材料的供應(yīng)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈，引領(lǐng)行業(yè)走上自主可控的高質(zhì)量發(fā)展道路。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：正天新材氮化硅基板：從“卡脖子”到“掰腕子”
