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氮化硅基板的力学性能与应用

来源:本站 点击数:415次 更新时间:2019/10/28 15:21:17

  

  半导体功率模块是电力电子领域中最重要的功率器件之一,应用于电动汽车、轨道交通等领域。其中,用于封装功率模块的覆铜基板是不可或缺的关键基础材料,而覆铜基板中的绝缘层通常是陶瓷材料。目前,市场上主要流行使用的覆铜陶瓷基板材料有两种:Al2O3和AlN。

  在覆铜过程中,因为金属铜和陶瓷材料的热膨胀系数有较大的差别,所以在高温条件下的覆铜之后,容易在在陶瓷基板中产生较大的附加热应力。并且,由于电子封装基板自身的周期性使用特性,在频繁的升温和降温过程中也会陆续地在陶瓷基板上产生热应力。因此经过漫长时间使用后在基板内部很容易有微小的裂纹产生和扩展,故很容易让封装基板产生破裂从而失效。

 

 

  同时当半导体功率模块使用在车辆等存在频繁震动的移动设施上,力学性能不足的陶瓷基板容易出现断裂,降低了半导体功率模块在使用过程中的可靠性。在实际生产过程中,通常使用240K-500K的热循环实验来检测试样的抗热震性能,普通的Al2O3和AlN一般在经受了50次热循环之后就会产生裂纹,在经历了500次热循环之后会发生铜电路的脱落,不能够满足电动汽车所要求的3000次热循环后仍能保持使用性能的要求。氮化硅陶瓷具有优异的力学性能,其抗弯强度和断裂韧性是氮化铝和氧化铝的2倍以上,并且具有高热导率、低热膨胀系数和高抗热震性等优点,更加适合于大功率半导体功率模块的应用实践,特别是应用在有振动场合的功率模块制备。高机械(抗弯强度和断裂韧性)强度的氮化硅基板,能在严苛的工作环境下具有较高使用寿命及更高可靠性,使电机动力系统中运行更加安全可靠。

  在电子应用领域,由于氮化硅陶瓷基板具有高强度、高导热、高可靠的特点,可用湿法刻蚀工艺在表面制作电路,经表面镀覆后制得的一种用于高可靠性电子基板模块封装的基板材料,是新型电动汽车用1681功率控制模块的重要基板材料。此外,陶瓷基板产业还涉及 LED、精细陶瓷制备、薄膜金属化、黄光微影、激光成型、电镀化学、光学模拟、微电子焊接等多领域技术,产品在功率型发射器、光伏器件,IGBT 模块,功率型晶闸管、谐振器基座、半导体封装载板等大功率光电及半导体器件领域有广泛用途。

  备注:氮化硅制成的陶瓷基板的挠曲强度比采用Al2O3和AlN制成的基板高。Si3N4陶瓷的断裂韧性甚至超过了氧化锆掺杂陶瓷。目前,国际上高导热氮化硅陶瓷热导率均能达到90W·m-1·K-1,抗弯强度和断裂韧性也分别能达到650MPa和6.5MPa·m1/2左右。


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