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(duì)陶瓷散熱基板有更高的要求

目前，對(duì)保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的呼聲高漲，使得國(guó)內(nèi)的新能源電動(dòng)汽車倍受關(guān)注。大功率封裝器件在調(diào)控汽車速度和儲(chǔ)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(duì)電子封裝的散熱提出了嚴(yán)格的要求，同時(shí)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(qiáng)度來(lái)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(shí)為了應(yīng)對(duì)工作環(huán)境的復(fù)雜化也應(yīng)具有高強(qiáng)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(lái)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(jiǎn)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(wú)法滿足高功率大電壓器件發(fā)展要求，只適用于對(duì)散熱要求較低的工作環(huán)境，而且由于彎曲強(qiáng)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(duì)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(rèn)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(qiáng)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(guó)內(nèi)外公認(rèn)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(qiáng)度、斷裂韌性都可達(dá)到AlN的２倍以上；同時(shí)，Si3N4陶瓷的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)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(jī)控制系統(tǒng)的核心器件，約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說(shuō)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(chǎng)這么多年以來(lái)，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(jí)要高得多，逆變器內(nèi)溫度極高，同時(shí)還要考慮強(qiáng)振動(dòng)條件，車規(guī)級(jí)的IGBT遠(yuǎn)在工業(yè)級(jí)之上。電動(dòng)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(duì)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(dòng)和沖擊力，機(jī)械強(qiáng)度要求高。

對(duì)于車用IGBT，氮化硅是再適合不過(guò)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(shí)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(fù)載的正常運(yùn)行的同時(shí)，保護(hù)芯片正常工作。延長(zhǎng)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(jī)驅(qū)動(dòng)中，采用SiC MOSFET器件比傳統(tǒng)Si-IGBT帶來(lái)5%～10%續(xù)航提升，未來(lái)將會(huì)逐步取代Si-IGBT。但SiC MOSFET芯片面積小，對(duì)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(xiàng)。

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(duì)SiC MOSFET器件散熱。

比亞迪e3.0平臺(tái)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(jī)控制模塊、高性能氮化硅陶瓷以及集成NTC傳感器，使整個(gè)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(dá)99.7%。

3，點(diǎn)火與加熱系統(tǒng)

全球汽車的形態(tài)和格局正在重塑，5G時(shí)代下汽車“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”發(fā)展已是大勢(shì)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(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間，隨著新能源汽車的浪潮發(fā)光發(fā)熱。

內(nèi)容來(lái)源：公眾號(hào)“陶瓷基板”

參考資料

1、中國(guó)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(dòng)視界《新能源汽車800V高壓平臺(tái)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(jìn)展》