氮化硅陶瓷封装基板热学性能

  在电动汽车功率模块、大功率激光器、航空航天电子等前沿领域，核心芯片工作时产生巨大热量，封装基板需承受频繁、剧烈的温度冲击（如瞬间功率变化、系统启停导致的急冷急热）。传统材料在温度骤变（ΔT 1000°C）下极易因热应力开裂失效。氮化硅（Si₃N₄）陶瓷封装基板凭借其卓越的抗热震性（ΔT 1000°C 急冷急热不裂），成为保障高功率、高可靠性电子系统稳定运行的关键载体。

  核心优势之一。氮化硅的CTE（约 3.2×10⁻⁶ /K）远低于大多数金属和氧化铝陶瓷，和半导体芯片（如Si: 3.0-4.0×10⁻⁶/K, SiC: 4.0-4.5×10⁻⁶/K）匹配性极佳。温度剧变时产生的热应力显著降低。

  导热系数（约 20-30 W/mK，高导热牌号可达 60-90 W/mK）虽不及氮化铝或高导热碳化硅，但足以有效传递芯片产生的热量，避免局部过热形成巨大温差。

  兼具高弯曲强度（800-1000 MPa以上）和同类陶瓷中顶尖的断裂韧性（6-8 MPa·m¹/²）。高强高韧能有效抵抗热应力引发的微裂纹萌生和扩展，避免灾难性断裂。

  其强度在高温（可达800-1000°C）下衰减缓慢，远优于金属和氧化铝基板，确保在高温冲击下仍能维持结构完整性。

  实现“ΔT 1000°C急冷急热不裂”的重点是最大限度地降低热应力水平并提升抵抗热应力损伤的能力：

  温度剧烈变化时，自身尺寸变化小，产生的热应力（σ ∝ E * α * ΔT）明显降低（α低）。

  即使产生微小的热应力裂纹，其高断裂韧性也能有效阻碍裂纹扩展，防止贯穿性断裂。

  高强度使材料需要更大的应力才能引发裂纹，高韧性则阻止裂纹扩展，共同提升抗热震断裂能力（R参数高：R ∝ σ_f * (K_IC / Eα)）。

  减少内部缺陷（孔隙、杂质）作为裂纹源的风险，细晶粒有助于裂纹偏转和桥联增韧。

  氮化硅的CTE（~3.2）远低于氧化铝（~8.0），断裂韧性是其3-4倍，抗热震性（ΔT临界值）是其数倍。在相同ΔT冲击下，氧化铝极易开裂而氮化硅安然无恙。氮化硅的强度和韧性也显著更高。

  氧化铝成本更低，电绝缘性略优（但在高压下氮化硅足够），工艺更成熟普及。在热负荷低、成本敏感的低功率应用中仍有市场。

  ，不易因热应力开裂。其与Si/SiC芯片的CTE匹配性略优于氮化铝（AlN CTE ~4.5）。机械加工性相对更好。

  氮化铝的导热率（理论~320，实际~150-220 W/mK）远高于常规氮化硅（20-30 W/mK）。在

  的场景（如某些LED、微波射频），氮化铝有优势。高导热氮化硅（60-90 W/mK）可部分弥补此劣势，但成本上升。

  氮化硅基板（如活性金属钎焊AMB-Si₃N₄）的抗热震性、机械强度（特别是抗弯强度）、高温可靠性（铜层不易翘曲脱落）远超DBC-Al₂O₃。DBC-Al₂O₃在剧烈热循环下易因CTE失配导致铜层剥离或基板开裂。

  AMB-Si₃N₄成本明显高于DBC-Al₂O₃。在热应力不极端的中低功率模块中，DBC-Al₂O₃因成本优势仍被广泛使用。

  氮化硅是绝缘体，金属基板需额外绝缘层（降低导热）。其CTE远低于金属，与芯片匹配性好得多，热应力问题小。高温强度、尺寸稳定性、抵抗腐蚀能力远超金属。

  金属延展性好，对微小热应力不敏感（非指抗大ΔT冲击），成本低，易加工。适用于低功率密度、散热要求不高或成本优先的应用。

  总结：在要求承受极端温度骤变（ΔT 1000°C）、高频次热冲击，且同时需要高可靠性、高绝缘、良好导热及与芯片CTE匹配的高功率密度封装（特别是SiC/GaN功率模块、高能激光器）中，氮化硅陶瓷基板凭借最低的CTE之一、顶尖的断裂韧性、优异的强度保持率，成为抗热震性要求最苛刻场合的首选解决方案。

  采用超高纯度、超细（亚微米级）、α相含量高的氮化硅粉末。严控杂质（尤其是降低氧含量），杂质会劣化高温性能和热导率。海合精密陶瓷有限公司严格把控原料品质。

  主流工艺。将氮化硅粉体、烧结助剂、粘结剂、溶剂等制成均匀浆料，通过流延机形成厚度精确（可低至0.2mm）、致密均匀的生坯带。干燥后冲切成所需形状。生坯质量（厚度均匀性、无缺陷）至关重要。海合精密陶瓷有限公司在精密流延成型方面拥有成熟工艺。

  在高温（1700-1850°C）和高压氮气（数MPa至数十MPa）气氛下进行烧结。高压氮气抑制氮化硅分解，促进致密化，获得接近理论密度（99%）、晶粒细小均匀、晶界相优化的高性能基板。精确的温度和气氛控制是实现高强高韧低孔隙的关键。海合精密陶瓷有限公司使用先进的气压烧结技术。

  烧结后的基板需进行双面精密研磨和抛光，达到极高的平面度、平行度、低粗糙度（Ra 0.1 μm）和精确厚度公差（如±0.02 mm）。表面上的质量直接影响后续金属化质量和散热。

  通过活性金属钎焊（AMB）或薄膜工艺（如溅射、电镀）在基板表明产生高结合强度、高导热导电路径（如铜层）。AMB技术尤其适合高功率应用，形成的铜层厚（0.3mm）、结合强度高、热阻低，且工艺本身高温有助于进一步消除基板内应力。图形化通过光刻、蚀刻实现。

  将基板或带金属化层的样品在设定的高温（如1000°C）下保温，然后迅速投入室温水或气冷环境中（实现ΔT 1000°C）。重复多次（如10-20次），观察是不是开裂（目视、金相、超声波C扫），并测试热震后的强度保留率。要求ΔT 1000°C急冷急热后无开裂。

  结合强度（拉力/剪切力测试）、热循环（-55°C至150°C或更高）可靠性、绝缘耐压测试。

  SEM观察晶粒、晶界、孔隙分布。海合精密陶瓷有限公司将抗热震性能作为核心指标进行严格验证。

  主驱逆变器（IGBT/SiC MOSFET）、车载充电器（OBC）、DC-DC转换器。模块承受大电流开关带来的剧烈温度波动（ΔT可达150°C以上，峰值结温175°C），要求基板在长期高频次热冲击下（对应ΔT 1000°C的严苛测试条件）不裂，确保15年以上寿命。

  激光巴条工作时产生极高热流密度，封装基板承受急剧热负荷变化，抗热震性是保障激光器寿命和光束质量的核心。

  雷达TR组件、机载/星载大功率电源模块，要求极端环境下的超高可靠性和抗热冲击能力。

  氮化硅陶瓷封装基板凭借其极低的热膨胀系数（与芯片高度匹配）、顶尖的断裂韧性、优异的机械强度和通过先进气压烧结（GPS）工艺实现的超高致密度与细晶结构，成功征服了ΔT 1000°C极端热震的严酷考验，成为高功率密度、高可靠性电子系统的“脊梁”。相较于氧化铝、氮化铝等其他陶瓷基板或金属基板，其在承受剧烈、高频次热冲击工况下的可靠性和寿命具有无可比拟的优势。依托高纯度原料、精密的流延成型、先进的气压烧结技术和严苛的抗热震验证体系（如海合精密陶瓷有限公司所实践），生产出的高性能氮化硅陶瓷封装基板，正在驱动新能源汽车、工业自动化、先进激光、航空航天等领域的快速的提升，为构建更强大、更可靠的电力电子系统提供至关重要的基础材料支撑。