分析氮化硅陶瓷基板被應(yīng)用到新能源汽車的緣由

新能源汽車對陶瓷散熱基板有更高的要求

目前，對保護環(huán)境和節(jié)約能源的呼聲高漲，使得國內(nèi)的新能源電動汽車倍受關(guān)注。大功率封裝器件在調(diào)控汽車速度和儲存-轉(zhuǎn)換交流和直流上發(fā)揮著決定性作用。而高頻率的熱循環(huán)對電子封裝的散熱提出了嚴格的要求，同時工作環(huán)境的復(fù)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(xiàn)代電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用于該技術(shù)的功率模塊散熱效率更成為了關(guān)鍵。電子封裝系統(tǒng)中的陶瓷基板材料是高效散熱的關(guān)鍵，同時為了應(yīng)對工作環(huán)境的復(fù)雜化也應(yīng)具有高強度和高可靠性。

各大主流陶瓷基板材料分析-氮化硅陶瓷基板是新能源汽車基板首選：

近年來已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用較為廣泛的陶瓷基板主要有：Al2O3、BeO、SiC、Si3N4、AlN等。

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(yè)中占有重要的地位。但是Al2O3的熱導(dǎo)率較低，無法滿足高功率大電壓器件發(fā)展要求，只適用于對散熱要求較低的工作環(huán)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(yīng)用范圍。

BeO陶瓷基板雖然具有較高的熱導(dǎo)率和較低的介電常數(shù)，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(chǎn)生影響，不利于大規(guī)模應(yīng)用。

AlN陶瓷具有較高的熱導(dǎo)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(fù)雜的環(huán)境中工作，難以保證其應(yīng)用的可靠性。

SiC陶瓷雖然具有很高的熱導(dǎo)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(yīng)用在高頻高壓的工作環(huán)境中。

氮化硅是國內(nèi)外公認兼具高導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率遠大于Al2O3陶瓷；此外，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。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。

氮化硅陶瓷基板在新能源汽車的應(yīng)用舉例：

1，IGBT領(lǐng)域

IGBT是新能源汽車電機控制系統(tǒng)的核心器件，約占電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅(qū)動系統(tǒng)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(zhì)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(jīng)挖掘的差不多了，大家都把精力轉(zhuǎn)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(yè)級要高得多，逆變器內(nèi)溫度極高，同時還要考慮強振動條件，車規(guī)級的IGBT遠在工業(yè)級之上。電動汽車用IGBT模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，車載環(huán)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(yīng)高溫高壓的工作環(huán)境。能及時散去電源系統(tǒng)中的高熱量，能適應(yīng)汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)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(shè)備的使用周期。節(jié)約更多空間，為新能源汽車提供更多可能性。

2，MOSFET領(lǐng)域

    在新能源汽車的核心電機驅(qū)動中，采用SiC MOSFET器件比傳統(tǒng)Si-IGBT帶來5%～10%續(xù)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(yōu)異的散熱能力和高可靠性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車領(lǐng)域主驅(qū)應(yīng)用的必選項。

目前已經(jīng)量產(chǎn)的Tesla model 3已經(jīng)大批量使用氮化硅陶瓷基板，應(yīng)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(fā)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%。

3，點火與加熱系統(tǒng)

全球汽車的形態(tài)和格局正在重塑，5G時代下汽車“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”發(fā)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(fā)光發(fā)熱。

內(nèi)容來源：公眾號“陶瓷基板”

參考資料

1、中國粉體網(wǎng)《新能源汽車IGBT封裝材料的新星——氮化硅陶瓷基板》

2、驅(qū)動視界《新能源汽車800V高壓平臺和SiC應(yīng)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(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進展》