第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展

第3代半導(dǎo)體一般指禁帶寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體材料，也稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展大致分為3個(gè)階段，以硅（Si）為代表的通常稱為第1代半導(dǎo)體材料；以砷化鎵為代表的稱為第2代半導(dǎo)體材料，已得到廣泛應(yīng)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(dǎo)體材料，由于其較第1代、第2代材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，近年來得到了快速發(fā)展。SiC、GaN、ZnO等第3代半導(dǎo)體具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)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(dú)特的排列結(jié)構(gòu)，在材料綜合性能、產(chǎn)品技術(shù)成熟度及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面都凸顯出相對(duì)較高優(yōu)勢(shì)，具有高臨界擊穿電場(chǎng)、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(fēng)電、光伏太陽能發(fā)電和LED照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如圖1所示。

然而，隨著第3代半導(dǎo)體SiC功率器件集成度和功率密度的明顯提高，相應(yīng)工作產(chǎn)生的熱量急劇增加。因此，電子封裝系統(tǒng)的散熱問題已成為影響其性能和壽命的關(guān)鍵，要有效解決器件的散熱問題，必須選擇高導(dǎo)熱的基板材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由熱引起的大功率器件失效高達(dá)55%。不僅如此，在新能源汽車、現(xiàn)代交通軌道等領(lǐng)域，大功率器件使用過程中還需要考慮顛簸、震動(dòng)等復(fù)雜應(yīng)用條件，這對(duì)基板等材料機(jī)械力學(xué)性能和可靠性提出了更高要求。綜合考慮，先進(jìn)陶瓷材料以其具備高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、耐高溫、高耐磨性、抗氧化、熱膨脹系數(shù)低和抗熱震等熱、力性能，同時(shí)具有較好的氣密性，可隔離水汽、氧氣和灰塵等特點(diǎn)，成為大功率半導(dǎo)體器件基板的最佳材料，被廣泛應(yīng)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(yīng)具有以下性能特點(diǎn)：

①優(yōu)異的熱導(dǎo)率，高的熱導(dǎo)率代表了優(yōu)異的散熱性能，直接影響功率器件的運(yùn)行狀況和使用壽命；

②高的力學(xué)性能，尤其材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性對(duì)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(shù)，與SiC襯底在熱膨脹系數(shù)的匹配上具有其他陶瓷不可替代的優(yōu)勢(shì)；

⑤良好的高頻特性，即低的介電常數(shù)和低的介質(zhì)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(diǎn)

氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4）4種材料是已經(jīng)投入生產(chǎn)應(yīng)用的主要陶瓷基板材料。各類基板材料的特點(diǎn)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(dǎo)熱系數(shù)大，其室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)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(huì)難以愈合，長期吸入BeO粉塵會(huì)引起中毒甚至致命。此外BeO的毒性對(duì)周圍環(huán)境也會(huì)造成污染，由此致使BeO陶瓷基板難以產(chǎn)業(yè)化。

2.2 Al2O3陶瓷基板材料

作為技術(shù)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(yīng)用最成熟。Al2O3原料豐富、價(jià)格低廉，具有良好的絕緣性、化學(xué)穩(wěn)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(dǎo)率較低，僅為29W/（m·K），且熱 膨 脹 系 數(shù)（7.2×10-6/℃） 較 高，強(qiáng)度低、介電常數(shù)高等不利因素限制其在大功率模塊和集成電路中的應(yīng)用。

2.3 AlN陶瓷基板材料

AlN陶瓷基板具有高導(dǎo)熱性、良好的絕緣性等特點(diǎn)，是目前Si基半導(dǎo)體材料中最為常用的陶瓷基板。但是AlN陶瓷機(jī)械強(qiáng)度低、易潮解以及較高的制造成本限制AlN基板的發(fā)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(dǎo)率可達(dá)90～120W/（m·k），熱膨脹系數(shù)為3.2×10-6/℃，并具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱沖擊性。盡管Si3N4陶瓷基板具有略低于AlN的導(dǎo)熱性，但其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性都可達(dá)到AlN的2倍以上，同時(shí)，Si3N4陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第3代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩(wěn)定。氮化硅是國內(nèi)外公認(rèn)兼具高導(dǎo)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(dǎo)體功率器件高導(dǎo)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(duì)比見表1。

3 高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷材料的研究進(jìn)展

Si3N4陶瓷材料被認(rèn)為是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)材料。但是因其相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可能形成較大的聲子散射，導(dǎo)致Si3N4一度被定義為低熱導(dǎo)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(fā)現(xiàn)晶格缺陷和雜質(zhì)是造成聲子的散射，使得Si3N4的熱導(dǎo)率低，并提出200～320W/（m·K）或許是β-Si3N4陶瓷熱導(dǎo)率的極值，這也為氮化硅作為高導(dǎo)熱材料提供了理論支撐。無獨(dú)有偶，借助分子動(dòng)力學(xué)的方法，Hiroshi等重新計(jì)算了α-Si3N4和β-Si3N4單晶體的理論熱導(dǎo)率，得出二者具有差異性的高熱導(dǎo)率：α-Si3N4單晶理論熱導(dǎo)率沿a軸為105W/（m·K），c軸為225W/（m·K）；β-Si3N4單晶理論熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱材料。但很遺憾，Si3N4陶瓷的實(shí)際熱導(dǎo)率與理論熱導(dǎo)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(zhì)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(dǎo)熱氮化硅陶瓷學(xué)性能、熱導(dǎo)率的關(guān)鍵因素。內(nèi)部雜質(zhì)和晶格缺陷都會(huì)阻礙氮化硅陶瓷熱導(dǎo)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(dǎo)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(jié)活性，易制備出高致密度的成品。

3.2 燒結(jié)助劑的影響研究

氮化硅的強(qiáng)共價(jià)鍵使得其很難通過固相擴(kuò)散達(dá)到燒結(jié)致密的目的，需要加入一定的添加劑。但燒結(jié)助劑由于自身的性質(zhì)，它的存在也會(huì)對(duì)氮化硅陶瓷材料的熱導(dǎo)率造成不利影響，因此燒結(jié)助劑的選擇應(yīng)考慮3個(gè)方面：首先應(yīng)考慮活性好的燒結(jié)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(yīng)考慮在燒結(jié)助劑在燒結(jié)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(gè)方面應(yīng)考慮燒結(jié)助劑形成的晶界相易于晶化，并形成高導(dǎo)熱晶相。

燒結(jié)助劑主要分為氧化物和非氧化物2種，氧化物類燒結(jié)助劑最常見的為金屬氧化物和稀土氧化物的組合。研究發(fā)現(xiàn)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(dǎo)率隨著燒結(jié)助劑稀土元素陽離子半徑的增大而減??；含氧化鈣（CaO）的燒結(jié)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(dǎo)率及強(qiáng)度普遍較低。介于此，氧化物三氧化二釔（Y2O3）—MgO是制備是高導(dǎo)熱氮化硅材料應(yīng)用比較廣泛的燒結(jié)助劑。在選擇原料粉體時(shí)要盡量避免O元素的引入，燒結(jié)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(dǎo)率及高溫力學(xué)性能。因此，作為非氧化物燒結(jié)助劑的代表，氮化硅鎂（MgSiN2）、氟化釔（YF3）等成為了制備高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的常用助劑。研究表明：采用MgSiN2作為燒結(jié)助劑與采用MgO作為燒結(jié)助劑制備的氮化硅陶瓷相比熱導(dǎo)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(diào)控晶粒的排列和生長進(jìn)行，保證晶粒在一維或二維方向上能夠產(chǎn)生較好的定向效果。目前流延、軋膜、澆注和注射成型等高導(dǎo)熱氮化硅基板的成型方法中，流延成型被公認(rèn)為最適合于工程化制備技術(shù)。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(duì)燒結(jié)試樣流延成型方向和垂直流延方向的熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)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(xiàn)取向性，不同方向熱導(dǎo)率也不相同，并且在特定方向上具有較高的熱導(dǎo)率。

近年來出現(xiàn)一種新型高效的織構(gòu)化手段—將強(qiáng)磁場(chǎng)與基本成型方法復(fù)合的成型方法。依靠該方法，能夠徹底實(shí)現(xiàn)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(chǎng)技術(shù)與陶瓷成型方法相結(jié)合是氮化硅基板成型技術(shù)重要的發(fā)展方向。

3.4 燒結(jié)方法的影響研究

制備高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷材料的制備方法主要燒結(jié)方法主要有熱等靜壓燒結(jié)（HIP）、熱壓燒結(jié)（HPS）、反應(yīng)燒結(jié)重?zé)Y(jié)（SRBSN）和氣壓壓力燒結(jié)（GPS）。早期的研究多采用熱等靜壓燒結(jié)方法，但是熱等靜壓燒結(jié)存在設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、制備成本高等問題。氣壓壓力燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)重?zé)Y(jié)燒結(jié)是目前制備高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷材料使用較多的燒結(jié)工藝。工程化制備主要采用氣氛壓力燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)重?zé)Y(jié)燒結(jié)2種方法，分別針對(duì)以Si3N4粉體和硅粉為原料。Si3N4陶瓷的導(dǎo)熱率的提高通常認(rèn)為是與晶粒增大有關(guān)，因此通常選擇高的燒結(jié)溫度和長時(shí)間的保溫環(huán)境促進(jìn)晶粒生長。高溫可以使α—Si3N4溶解沉淀向β—Si3N4發(fā)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(dǎo)率。

3.5 氮化硅基板產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

現(xiàn)在國內(nèi)還沒有企業(yè)真正完成氮化硅基板產(chǎn)業(yè)化，各高校、研究院所和企業(yè)都在積極的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研究，目前實(shí)驗(yàn)室研制的Si3N4基板已達(dá)到或接近日本產(chǎn)品水平，國內(nèi)多家企業(yè)正在加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。同時(shí)，由于Si3N4基板還需要進(jìn)行覆銅處理以及應(yīng)用端考核，因此國內(nèi)Si3N4基板要達(dá)到應(yīng)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(jiǎn)稱“中材高新”）的中材高新氮化物陶瓷有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中材高新氮化物公司”）在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，系統(tǒng)研究并突破了高導(dǎo)熱Si3N4基板制備的技術(shù)關(guān)鍵和工程化技術(shù)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(shù)組合，以及突破了材料均化、成型、燒結(jié)、表面處理及覆銅除了等多個(gè)制備工藝技術(shù)，研制出及高導(dǎo)熱、高可靠性于一體綜合和性能優(yōu)異的半導(dǎo)體絕緣基板材料，建立起年產(chǎn)10萬片（114mm×114mm）中試生產(chǎn)線。Si3N4基板工藝流程見圖2。

采用流延成型技術(shù)，通過Si3N4漿料性能指標(biāo)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了Si3N4基板連續(xù)高效成型。流延板厚度可到達(dá)0.26～0.30mm，厚度可控制≤±5μm，見圖3。

由于Si3N4燒結(jié)收縮較大（通常為18%～20%），且厚度尺寸很薄。因此控制其燒結(jié)變形是關(guān)鍵之一，通過對(duì)Si3N4基板變形主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了氣氛壓力燒結(jié)致密化制備。Si3N4基板密度可達(dá)到3.20g/cm3（達(dá)到相對(duì)密度為99%）。燒結(jié)后的Si3N4基板見圖4。

中材高新氮化物公司對(duì)Si3N4基板覆銅技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，重點(diǎn)研究絲印及金屬化工藝對(duì)覆銅板剝離強(qiáng)度的影響規(guī)律和熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)考核，見圖5、6。熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)條件為：前1 700次為-40～150℃，后300次為-50～170℃。結(jié)果表明中材高新氮化物公司制備的Si3N4覆銅板經(jīng)過2000次循環(huán)后無可見開裂或剝離現(xiàn)象，具備優(yōu)異的穩(wěn)定和可靠性。

4 高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展及應(yīng)用

隨著以SiC為襯底的第3代半導(dǎo)體芯片在新能源汽車、5G、新能源領(lǐng)域的快速推廣，Si3N4陶瓷基板需求也迎來了快速發(fā)展階段。國務(wù)院2020年發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中也明確了新能源汽車在“十四五”以及未來的發(fā)展方向，強(qiáng)調(diào)要提升核心技術(shù)創(chuàng)新能力，完善質(zhì)量保障體系和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，健全產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實(shí)施新能源汽車基礎(chǔ)技術(shù)提升工程，突破效高密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。全球及中國新能源汽車發(fā)展規(guī)劃見圖7。

根據(jù)圖7所示，以2025年全球電動(dòng)汽車年銷售量為2500萬輛計(jì)算，SiC功率器件的占比按照多家投資機(jī)構(gòu)推測(cè)的數(shù)據(jù)占比37%為基準(zhǔn)，按照現(xiàn)有電動(dòng)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(jì)算，2025年高導(dǎo)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(nèi)可實(shí)現(xiàn)批量化制造高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷基板的企業(yè)全部在日本。其中東芝材料（Toshiba Materials）產(chǎn)能達(dá)到10萬m2/年、丸和（Maruwa）4萬m2/年、電氣化學(xué)（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(chǎng)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(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比見表2。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，日本企業(yè)正在加快高導(dǎo)熱Si3N4基板的產(chǎn)能，如日本東芝材料計(jì)劃2022年之前將產(chǎn)能擴(kuò)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Si3N4陶瓷片的產(chǎn)能擴(kuò)充，預(yù)計(jì)2025年全部建成；日本精細(xì)陶瓷株式會(huì)社計(jì)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Si3N4陶瓷材料，并公布他們已經(jīng)開發(fā)了獨(dú)有的節(jié)能、安全、環(huán)保且低成本的Si3N4基板生產(chǎn)技術(shù)。日本日立、丸和、東芝的Si3N4基板和覆銅板產(chǎn)品圖片見圖8、9、10。

目前中材高新氮化物公司正在計(jì)劃建設(shè)年產(chǎn)年產(chǎn)200t高端Si3N44制品項(xiàng)目，主導(dǎo)產(chǎn)品為熱等靜壓Si3N4軸承球和高導(dǎo)熱Si3N4基板，預(yù)計(jì)2022年投產(chǎn)。該項(xiàng)目的建成投產(chǎn)可填補(bǔ)我國在高導(dǎo)熱Si3N4基板“卡脖子”的問題，實(shí)現(xiàn)自主可控，縮短國內(nèi)外基板材料差距，有效提升國產(chǎn)大功率半導(dǎo)體器件的核心競(jìng)爭(zhēng)力，服務(wù)支撐新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)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(dǎo)熱Si3N4基板、圖13是中材高新新建高端Si3N4生產(chǎn)廠房。

5 結(jié)語

正是由于S i3N4陶瓷所具有的高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高韌性以及較低的膨脹系數(shù)等綜合性能，S i3N4被公認(rèn)為第3代S i C半導(dǎo)體功率器件高導(dǎo)熱基板材料的首選并取得了很好的應(yīng)用效果?？梢钥隙?。隨著電動(dòng)汽車、大功率電子電力器件的快速發(fā)展，S i3N4陶瓷基片必將迎來巨大的市場(chǎng)需求。我國在這一領(lǐng)域應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)高校、科研院所和企業(yè)的協(xié)同合作，重點(diǎn)突破高導(dǎo)熱S i3N4基板產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)和裝備，全力打通S i3N4基板-精密加工-表面覆銅-考核應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，盡快實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱S i3N4基板的國產(chǎn)化。

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

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