▲ 氮化硅基板（来源：丸和）
氮化硅陶瓷基板基板的内部晶体结构主要为β相，其中互锁的晶粒形成蜂窝状的稳定网络。这种独特的排列赋予材料高机械强度和出色的抗热震性。致密的结构通过高温烧结实现，从而具有优异的导热性、强度、耐热性和耐腐蚀性。它广泛应用于电子器件、电力设备和航空航天领域，通常用作电子元件的散热平台或绝缘支撑组件。
为什么使用氮化硅作为陶瓷基板？
氮化硅被信赖用作陶瓷基板，因为它满足了日益增长的、在紧凑型高功率电子设备中对热控制和结构可靠性的需求。随着器件密度的增加，传统基板难以应对热应力和机械负载。
氮化硅基板即使在快速热循环下也能保持机械稳定性。这使其成为 IGBT、功率模块和汽车逆变器电路的理想选择，这些应用功率耗散高且不允许失效。
它也在射频应用中受到青睐，因为基板必须支持细线电路并保持稳定的介电常数，这种电气性能和热性能的平衡在传统材料中难以找到。更多关于陶瓷基板资讯，敬请关注8月26日，展会同期论坛——陶瓷基板产业论坛
一、氮化硅简介
氮化硅的化学分子式为 Si₃N₄，这种化合物由三个硅原子和四个氮原子通过强大的共价键网络紧密结合而成，该分子式看似简单，但其形成的结构却绝非简单。
（一）氮化硅晶体结构
氮化硅作为一种新兴的半导体材料，因其出色的热稳定性和化学惰性，在高温高压等极端条件下表现出卓越的性能。它主要存在两种晶体结构：八面体结构和六方晶体结构（也称为α相（α-phase）和β相（β-phase））。
图：β-和α-氮化硅，从c轴投影到ab平面图（来源：国磨质检NAQS）
- β相氮化硅 (β-Si₃N₄)：八面体结构具有八条等效的 Si-N 化学键。在此排列中，氮原子占据八面体的顶点，而硅原子位于中心和六个面心位置。晶胞尺寸统一为 1.491 nm。
- α相氮化硅 (α-Si₃N₄)：六方晶体结构具有独特的原子排列。硅原子位于六方密堆积晶格内的六个等效位置，并与氮原子以特定构型配对。其晶格参数为 a = b = 0.3855 nm，c = 1.07 nm。
（二）氮化硅材料特性
氮化硅材料特性，使其用途非常广泛：
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氮化硅通常不会像传统材料那样“熔化”，而是在高温（通常约 1900°C）下分解，这种分解而非真正的熔点，在共价键陶瓷中很常见。更多关于陶瓷基板资讯，敬请关注8月26日，展会同期论坛——陶瓷基板产业论坛
（三）氮化硅的替代材料
虽然氮化硅提供了非常好的热学、力学和绝缘性能组合，但它并非为唯一适用高要求应用的唯一陶瓷材料。根据应用的具体要求，有几种替代材料可以发挥类似作用。
- 氮化铝 (AlN)：一种常见的替代品。与 Si3N4 类似，呈灰色。其卓越的导热性（通常超过 170 W/(m·K)）使其在高功率电子封装中很受欢迎。然而，与氮化硅相比，它更脆，对机械应力的耐受性较差。
▲ 氮化铝（来源：丸和）
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氧化铝 ( Al₂O₃)：由于其成本效益和优异的电绝缘性，被广泛使用，但它缺乏氮化硅提供的韧性和抗热震性。在预算限制严格的应用中，氧化铝陶瓷基板尽管强度较低，但通常占据主导地位。
图：氧化铝基板（来源：四川六方钰成电子）
- 碳化硅 (SiC)：也是一个值得注意的替代品。它在耐磨性和高温性能方面表现出色，是恶劣、侵蚀性环境的首选。然而，它可能比氮化硅更昂贵且电绝缘性较差。更多关于陶瓷基板资讯，敬请关注8月26日，展会同期论坛——
二、氮化硅基板的特性
- 导热性
其导热系数约为 80–90 W/(m·K)，在散热方面优于氧化铝陶瓷。例如，在电动汽车功率模块中，氮化硅基板可将芯片温度降低 30% 以上，从而提高效率和可靠性。 -
机械强度
其三点弯曲强度可超过 800 MPa，约为氧化铝陶瓷的三倍。某测试表明，0.32 mm 厚的基板可承受 400 N 的压力而不破裂。 -
热稳定性
可在-50°C 至 800°C 之间稳定运行，其热膨胀系数低至 3.2 × 10⁻⁶/°C，与半导体材料匹配良好。例如，在某高速列车牵引逆变器中，改用氮化硅基板后，因温度快速变化导致的故障率下降了 67%。 -
绝缘性能
在室温下，其体积电阻率大于 10¹⁴ Ω·cm，介电击穿强度为 20 kV/mm，完全满足高压 IGBT 模块的绝缘要求。
三、氮化硅陶瓷基板的制备方法
氮化硅陶瓷基板主要有两种生产方法：反应烧结法和热压烧结法。
- 反应烧结法：将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合物使用常规陶瓷成型技术成型。然后在 1150–1200°C 的氮气炉中对成型材料进行预氮化，以获得一定的强度。预氮化后，材料可以在标准设备上进行机械加工。随后在 1350–1450°C 下进一步氮化18 至 36 小时，直至完全转变为氮化硅。用这种方法制造的产品尺寸精确，体积稳定性（volume stability）优异。
- 热压烧结法 ：将氮化硅粉末与少量添加剂（如 MgO, Al₂O₃, MgF₂, AlF₃ 或 Fe₂O₃）混合，然后在高压（高于 19.6 MPa）和 1600–1700°C 的温度范围内，同时进行压制和烧结。通过热压烧结制成的产品通常比反应烧结法生产的产品具有更高的密度和更好的性能。
两种方法比较
性能 反应烧结 Si3N4 热压 Si3N4 抗热震性 良好 优异 抗热应力性 良好 优异 尺寸加工精度 优异 差 耐磨性 优异 优异 耐腐蚀性 优异 优异
四、氮化硅陶瓷基板的应用
- 功率电子： IGBT 模块、MOSFET 基板、整流桥。
- 汽车系统： 电动汽车逆变器、发动机传感器、制动模块。
- 航空航天： 雷达系统、控制电子设备、结构支架。
- 半导体： 高频元件的散热器和电路载体。
- 可再生能源： 风力涡轮机功率模块和光伏逆变器。
五、氮化硅陶瓷基板 vs 碳化硅陶瓷基板
关于氮化硅与碳化硅两者都是先进陶瓷，但它们在性能和应用上存在显著差异。
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图：碳化硅陶瓷基板（来源：夏阳精细陶瓷科技）
- SiC 在导热性方面领先，但 Si₃N₄ 凭借更好的抗冲击性来管理热量。
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Si₃N₄ 具有更高的断裂韧性和抗冲击鲁棒性。
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电学作用： Si₃N₄ 绝缘性能好；SiC 具有半导体特性，用于功率电子。
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Si₃N₄ 加工性稍好，使其更适合精密应用。
- SiC 适用于苛刻、高摩擦环境；Si₃N₄ 因其强度、绝缘性和韧性的结合而在需要这些综合性能的环境中更受青睐。
文章内来源：深圳市宇斯特电子有限公司
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陶瓷基板产业论坛（8月26日全天）
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