2024年SiC有望大规模放量，高导热氮化硅陶瓷基板备受瞩目

近年来，电子元器件的小型化以及大规模集成电路的快速发展对其所使用的陶瓷绝缘基板提出了更高的要求。在某些特定的领域中，不但要求陶瓷绝缘基板需要具有较高的热导率，而且还应该具有足够的强度和韧性。由于氮化硅（Si3N4）陶瓷的高导热性、抗热震性及在高温中良好的机械性能，作为大功率器件封装基板材料备受瞩目。

图源大商电子

一、氮化硅是 SiC 器件首选基板材料

据 Yole 预测，全球碳化硅器件市场将从 2021 年 10 亿美元的规模增长至 2027 年的 60 亿美元以上，复合增速将高达 34%；其中汽车碳化硅器件的市场将从 2021 年的 6.85 亿美元增长至 2027 年的约 50 亿美元，复合增速高达 40%。然而碳化硅衬底的成本较高限制了限制了碳化硅的应用放量。8 英寸 SiC 衬底在降低器件成本、增加产能供应方面拥有巨大潜力，从2022 年开始，目前国内已有十余家企业与机构公布 8 英 SiC 衬底开发成功，处于研发或小批量验证阶段甚至具备量产能力，SiC 衬底将全面进入8英寸时代。中金公司认为，需求端新能源车+光伏上量与供给端良率突破或于2024 年迎来共振，SiC 有望迎接大规模放量。

图源安森美

AMB 氮化硅（Si3N4）基板是 SiC 功率器件导热基板材料首选。氮化硅具有优异的机械性能，兼顾高弯曲强度和高断裂韧度，可靠性高，高导热率（＞80 W/mK），氮化硅的出色机械强度有助于钎焊较厚的铜层，载流能力较高。且氮化硅陶瓷基板的热膨胀系数与第三代半导体衬底 SiC 晶体接近，使其能够与 SiC 晶体材料匹配更稳定，AMB 氮化硅基板主要用于电动汽车（EV）和混合动力车（HV）功率半导体，特别在 800V 以上高端新能源汽车中应用中不可或缺。

图源Ferrotec

但由于 AMB 氮化硅陶瓷基板工艺还还存在一些短板，对技术要求高，且在良率、材料等方面还有待进一步完善，这使得该技术目前的实现成本还比较高。

二、氮化硅陶瓷覆铜基板的应用难点

1、氮化硅基板实际热导率低

氮化硅的固有材料特性意味着它的热导率可能超过 200 W/mK。但是，目前可用的氮化硅陶瓷原料的导热率受多种因素的限制，目前商用氮化硅基板的热导率多为 85 W/mK 左右，热导率还有待进一步提高。影响氮化硅陶瓷热导率的因素有晶格氧、晶相、晶界相等，其中氧原子因为在晶格中会发生固溶反应生成硅空位和造成晶格畸变，从而引起声子散射，降低氮化硅陶瓷热导率而成为主要因素。此外，晶型转变和晶轴取向也能在一定程度上影响氮化硅的热导率。如何实现高导热氮化硅陶瓷基板的大规模生产也是一个不小的难题。

图陶瓷基板的弯曲强度与热导率

目前，高导热氮化硅陶瓷基板的制备方法主要有两种：一种是烧结出氮化硅陶瓷块体，然后将其切割成所需厚度氮化硅基板，但通过这种方法制备氮化硅陶瓷基板的成本较高。另一种是通过流延成型的方法制备出所需厚度的氮化硅坯片，然后再通过适当的排胶、烧结工艺制得氮化硅陶瓷基板。相对于前一种制备方法，这种方法对于降低生产成本无疑具有巨大的优势。

2、氮化硅基板覆铜工艺

氮化硅覆铜陶瓷基板是氮化硅陶瓷与铜通过活性钎焊工艺形成的铜-陶瓷复合材料，是大功率电力电子电路结构技术和互连技术的一种新的基础材料。生产氮化硅覆铜陶瓷基板的技术关键是获得高可靠性的铜-瓷连接。但由于氮化硅陶瓷与铜之间的热膨胀系数差别较大，在键合的过程中会产生较大的残余应力，不易获得优良的结合性能，此外，不同于氧化铝，氮化硅与铜之间不会形成 Cu-Si-O 化合物，需要利用活性金属元素(Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf 等)可以润湿陶瓷表面的特性，将铜层通过活性金属钎料钎焊在氮化硅陶瓷基板上（即 AMB 工艺），实现铜-瓷的连接。

图 Al2O3 DBC、AlN DBC 和 Si3N4 AMB的横截面

AgCuTi 是常用的活性金属钎焊焊膏。AgCuTi 应用广泛，钎焊性能好，但AgCuTi 活性金属钎焊焊膏应用于覆铜陶瓷基板的钎焊工艺中会带来一些问题：

1）使用 AgCuTi 活性金属钎焊焊膏不容易获得均匀的焊缝，通常 AgCuTi 焊料采用浆料的方式涂装在氮化硅的表面，与铜片装夹成三明治结构后进行真空钎焊。由于焊料的涂装厚度、焊料熔化后流动、焊料中银向铜中扩散、焊料凝固时析晶等因素的影响，使用 AgCuTi 浆料钎焊的铜瓷界面均匀性较差。均匀性较差的焊料会影响后续的蚀刻工艺，并影响产品的尺寸精度及可靠性。

2）AgCuTi 焊料中的 Ag 作为重金属，在覆铜陶瓷基板的后续蚀刻工艺中会带来环境污染的风险。

3）含银的钎焊层会影响刻蚀线路的精准度，含银焊料会造成蚀刻不净，影响电路板的绝缘性能。

4）银的电迁移系数较大，在恶劣的使用环境下，AgCuTi 焊料中银的电迁移会影响产品的可靠性。

AMB氮化硅陶瓷基板是采用高温真空钎焊工艺将铜钎接于基板上，钎焊工艺及陶瓷的抗弯强度对AMB基板的可靠性有较大的影响，同时，图形设计与铜-瓷厚度的匹配，对AMB基板的可靠性也有较大影响。因此，AMB氮化硅陶瓷基板的发展需要解决高品质原材料、活性钎料、真空钎焊等工艺问题，目前国内企业也在此方面积极实现国产化。

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第六届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会

同期举办：热管理材料展

2024年8月28日-30日

深圳国际会展中心7号馆（宝安新馆）

01展会规模

The exhibition will cover 20,000 square meters, featuring 1,000 booths, over 500 exhibitors, and 50,000 professional visitors. It will gather enterprises from the IGBT/SiC power semiconductor industry chain, thermal management materials industry chain, as well as upstream and downstream companies in the precision ceramics, electronic ceramics, ceramic substrates, thin-film/thick-film ceramic circuit boards, ceramic packaging tubes and shells, and LTCC/HTCC/MLCC processing industry chains!

2024年SiC有望大规模放量，高导热氮化硅陶瓷基板备受瞩目

02展览范围

一、精密陶瓷产业链：

1、陶瓷器件及材料：MLCC、LTCC、HTCC、微波介质陶瓷、压电陶瓷、钛酸钡、碳酸钡、氧化钛、氧化铝、氧化锆、玻璃粉、氮化铝、LTCC介质陶瓷粉体、稀土氧化物、生瓷带等；

2、精密陶瓷：氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化钇、结构陶瓷、高温陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷轴承、陶瓷球、半导体陶瓷（搬运臂、陶瓷劈刀、静电卡盘、蚀刻环……）、3D打印陶瓷、燃料电池（SOFC）隔膜片、穿戴陶瓷、光纤陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

3、陶瓷基板及封装外壳：陶瓷封装外壳、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜电路板、厚膜电路板、陶瓷封装基座、热沉、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铍、莫来石粉体及基板等；

4、金属材料：银粉、金粉、铜粉、镍粉、焊料（焊片、焊膏）、MLCC用内/外电极浆料、LTCC银浆、金浆、钨钼浆料、铜浆、靶材、无氧铜带、可伐合金、金属冲压件等；

5、助剂：陶瓷和导电浆料用分散剂、黏合剂、增塑剂、絮凝剂、矿化剂、消泡剂、润滑剂、烧结助剂等；

6、设备：

Ceramic processing equipment: sand mill, ball mill, vacuum degassing machine, three-roller machine, spray granulator, dry press, cast film machine, injection molding machine, 3D printer, mold, drying equipment, grinder, engraving machine, cutting machine, laser equipment, punching machine, hole filling machine, screen printing machine, laminating machine, laminating machine, isostatic press, hot cutting machine, leveling machine, debinding furnace, sintering furnace, brazing equipment, electroplating equipment, chemical plating, silver spraying machine, silver immersion machine, silver end machine, vacuum coating equipment, developing equipment, film removal equipment, etching machine, wet process equipment, plasma cleaning, ultrasonic cleaning, automation equipment, peel strength tester, AOI testing equipment, marking machine;

Packaging and testing equipment: chip mounter, wire bonding machine, capping machine, parallel seam welding capping machine, rib cutting machine, soldering equipment, laser resistance trimming machine, network analyzer, thermal cycle test equipment, thickness gauge, helium leak detector, aging equipment, appearance inspection, ultrasonic scanning microscope, X-ray inspection, laser marking, sorting equipment, package taping machine, etc.

7、耗材：离型膜、载带（塑料和纸质）、耐火材料、承烧板/匣钵（氧化铝、刚玉莫来石、氮化硼等）、承烧网、发泡胶、研磨耗材（金刚石微粉、研磨液）、精密网版、清洗剂、电镀药水等。

二、热管理产业链：

1、热管理材料：氧化铝、氮化铝、氮化硼、石墨烯、石墨、碳纳米管、空心玻璃微珠、导热粉体、散热基板、热沉（钨铜、钼铜、氮化铝、金刚石等）、铝碳化硅AlSiC、相变材料、导热凝胶、导热界面材料、导热垫片、导热胶带、灌封胶、热管/均热板；

2、散热器件：半导体制冷片（TEC）、IGBT散热器（铜、铝）、大功率晶体管散热器、通信基站散热壳体、液态金属散热器、插针式散热器等;

3、设备：压延机、涂布机、分条机、模切机、复卷机、切片机，CNC设备、压铸/冲压设备、热分析仪器、激光导热仪、导热系数仪、强度试验机、检测设备、自动化等。

三、功率半导体器件封装产业链：

1、材料：碳化硅，陶瓷衬板（DBC、AMB）、封装管壳、键合丝、散热基板（铜、铝碳化硅AlSiC）、导热硅凝胶、环氧灌封胶、焊料（预制焊片）、银膜/银膏、散热器（铜、铝）、功率引出端子（铜端子）、外壳（工程塑料PPS、PBT、高温尼龙）、清洗剂等；

2、设备及配件：真空焊接炉、贴片机、固晶机、引线键合机、X-ray、推拉力测试机、等离子清洗设备、点胶机、丝网印刷机、超声波扫描设备、动静态测试机、点/灌胶机、银烧结设备、垂直固化炉、甲酸真空共晶炉、自动封盖设备、高速插针机、弯折设备、超声波焊接机、视觉检测设备、推拉力测试机、高低温冲击设备、功率循环测试设备、打标机、检验平台、治具等；