氮化硅陶瓷基板：新材料之王的崛起与未来

导读：

本文深入探讨了氮化硅(Si3N4)陶瓷基板作为第三代半导体SiC功率器件首选导热基板材料的重要性。文章首先介绍了氮化硅(Si3N4)基板的背景和应用，随后对比了不同陶瓷基板材料的技术与性能，并分析了国内外企业的市场动态。文章还指出了氮化硅(Si3N4)陶瓷基板产业化面临的挑战，并预测了其市场前景。最后，期望通过加强产学研合作，推动氮化硅(Si3N4)陶瓷基板的国产化进程。

在第三代半导体SiC功率器件的快速发展中，随着其集成度和功率密度的显著提升，工作时产生的热量急剧增加，散热问题变得尤为关键，对器件的性能和寿命产生重大影响。为了有效解决这一问题，需要选用具有高导热性的基板材料，而氮化硅(Si3N4)陶瓷基板正是SiC功率器件首选的导热基板材料。

氮化硅(Si3N4)基板拥有卓越的机械性能，包括高弯曲强度和高断裂韧度，这使得其可靠性极高。它还具有高导热率(超过80 W/m·K)，这有助于更有效地传导热量。此外，氮化硅(Si3N4)的出色机械强度使其能够钎焊较厚的铜层，从而提高载流能力。氮化硅(Si3N4)陶瓷基板的热膨胀系数与SiC晶体衬底非常接近，这使得两者之间的匹配更为稳定，从而提高了整体的可靠性。

特别是在新能源汽车和现代交通轨道等应用领域，大功率器件在运行过程中还会遇到颠簸和震动等复杂环境，这进一步增加了对基板材料机械力学性能和可靠性的要求。据统计，大功率器件失效中有高达55%的比例是由热量引起的。因此，氮化硅(Si3N4)基板不仅在散热性能上表现优异，还在机械强度和可靠性方面满足了这些应用场景的苛刻要求。

氮化硅陶瓷基板的应用

在众多可用作基板的陶瓷材料中，包括AlN、Al2O3、SiC、BeO以及Si3N4等，每种材料都有其特定的优势和局限性。例如，BeO虽然具备出色的热导率和低介电常数，但其粉体的毒性极大限制了其应用范围。SiC稳定性好，但因介质损耗较高和较低的击穿电压，使其不适用于高压环境。Al2O3作为基板材料历史悠久，技术成熟，但因其热导率较低，主要限于小型电路的应用。AlN虽然热导率高、绝缘性好、介电常数低，但存在易水解、强度韧性不足等缺点。

相比之下，氮化硅(Si3N4)陶瓷基板以其高热导率、低介电常数、无毒性、与单晶硅相匹配的热膨胀系数等特性，被认为是高导热陶瓷基板的优选材料。其晶体的热导率可达到320W·(m·K)^(-1)，不仅有助于提高功率器件的散热效率，而且其机械性能的卓越表现，如高强度和韧性，也使其在复杂环境下更为可靠。这些特性使得氮化硅(Si3N4)陶瓷基板在新能源汽车、5G通信、大功率电子电力器件等快速发展的行业中需求日益增长，展现出广阔的市场前景。

 不同材料陶瓷基板性能比较

一直以来，全球范围内可实现批量化制造高导热氮化硅(Si3N4)陶瓷基板的企业基本都在日本。其中东芝材料产能达到10万㎡/年、丸和4万㎡/年、电气化学3万㎡/年、京瓷和日本精密陶瓷各1万㎡/年。东芝材料的市场份额更是占到50%。

据相关报道，日本企业正在加快提升高导热氮化硅(Si3N4)基板的产能，如东芝材料计划2022年之前将产能扩充至14.6万㎡/年；日本电气化学投资1.62亿元用于高导热氮化硅(Si3N4)陶瓷片的产能扩充，预计2025年全部建成；日本精细陶瓷株式会社计划在2023年之前将产能提高10㎡/a。2020年6月日本德山公司宣布进军氮化硅(Si3N4)陶瓷材料，并公布他们已经开发了独有的节能、安全、环保且低成本的氮化硅(Si3N4)基板生产技术，2024年2月20日将在山口县柳井市的先进技术商业化中心开设汽车、机床、电子设备等高精度旋转设备轴承用氮化硅(Si3N4)轴承球开发基地。先进技术商业化中心于2023年12月开始运营，占地面积10.2万㎡，建筑面积约900㎡。

国外部分氮化硅陶瓷基板主要生产企业介绍

国内企业在氮化硅(Si3N4)陶瓷基板领域取得了显著的技术进步，部分产品性能已达到或接近国际先进水平。随着技术突破，多家企业正在加快产业化进程，积极扩大产能以满足市场需求。中材高新、无锡海古德、浙江正天新材料科技、宁夏艾森达新材料科技、苏州博胜材料科技等均在氮化硅(Si3N4)陶瓷基板领域有所布局，他们通过自主研发和技术创新，形成了从粉体合成、材料制备到精密加工的完整技术链。

据浙江嘉兴高新技术产业开发区事业综合服务中心2024年3月27日消息，嘉兴国家高新区（高照街道）一季度重大项目集中签约仪式近日举行，其中包括总投资约52亿元的瓷新半导体材料总部项目计划建设年产3000万片的氮化硅(Si3N4)基板及3000万片氮化硅(Si3N4)覆铜板，项目投产后将有效填补国内高端氮化硅(Si3N4)陶瓷材料产业空白，进一步完善高新区汽车功率半导体产业链，推动秀洲芯片产业做大做强。可以看出，政府对于高新技术企业和新材料产业的支持，以及企业对研发和产业化的持续投入，为氮化硅(Si3N4)陶瓷基板市场的发展提供了良好的外部环境和资金保障。

国内部分氮化硅陶瓷基板主要生产企业介绍

国内部分氮化硅生产企业分布图

氮化硅(Si3N4)陶瓷基板因其优异的性能，被广泛认为是综合性能最佳的散热基板材料。但目前仍存在一些问题亟待解决。

目前各大主流新能源汽车厂商都在积极布局碳化硅车型，如比亚迪汉EV、蔚来ES6、理想L9、小鹏G9、保时捷Tayan和现代ioniq5、华为问界M9 等车型都已经采用了碳化硅器件。2024年随着碳化硅加速从6英寸迈向8英寸，需求端新能源车+光伏上量与供给端良率突破或将迎来共振，SiC迎接大规模放量，有望带动氮化硅(Si3N4)陶瓷基板的快速发展。

图 新能源汽车

图源：网络

随着以SiC为衬底的第3代半导体芯片在新能源汽车、5G的快速推广，氮化硅(Si3N4)陶瓷基板需求也迎来了快速发展阶段。据预测，2025年全球电动汽车年销售量将突破2500万辆，SiC功率器件的占比按照多家投资机构推测的数据占比37%为基准，按照现有电动车用氮化硅(Si3N4)陶瓷基板为1标准片（7.5×5.5英寸）/辆，客车等大型车辆为2标准片/辆的用量计算，2025年高导热氮化硅(Si3N4)基板的全球新增年需求量约为60万㎡。

这也仅仅是在新能源汽车领域的市场预测。除此之外，充电系统、LED等领域对高性能氮化硅(Si3N4)陶瓷基板的需求也在极速增长。随着电动汽车、大功率电子电力器件的快速发展，氮化硅(Si3N4)陶瓷基片必将迎来巨大的市场需求。我国在这一领域应进一步加强高校、科研院所和企业的协同合作，重点突破高导热氮化硅(Si3N4)基板产业化关键技术和装备，全力打通氮化硅(Si3N4)基板-精密加工-表面覆铜-考核应用产业链，尽快实现高导热氮化硅(Si3N4)基板的大批量国产化。

氮化硅(Si3N4)陶瓷基板因其卓越的机械性能、高导热率和与SiC晶体衬底匹配的热膨胀系数，在新能源汽车和5G通信等领域显示出巨大潜力。尽管面临生产技术、覆铜处理和应用端考核等挑战，但随着市场需求的增长，预计到2025年全球新增年需求量将显著增加。国内企业正通过技术创新和产能扩张来满足这一需求，政府的支持为产业发展提供了良好环境。未来，加强产学研合作将是实现氮化硅(Si3N4)陶瓷基板国产化的关键。