热压烧结氮化硅陶瓷半导体封装基板性能
热压烧结氮化硅陶瓷半导体封装基板性能
在新能源汽车、光伏发电和5G通信等领域的驱动下，功率半导体器件正朝着高电压、高频化、高功率密度的方向迅猛发展。作为功率模块的"骨骼"与"血管"，封装基板材料需同时满足高强度、高热导、低热膨胀系数和超高可靠性等近乎苛刻的要求。热压烧结氮化硅（Si₃N₄）陶瓷凭借其独特的性能优势，正在重塑第三代半导体封装的技术格局。
热压烧结工艺：解锁氮化硅性能的"密钥"
热压烧结（Hot-Pressed, HP）通过在高温（1700-1900℃）下施加20-40MPa的轴向压力，突破了氮化硅强共价键的烧结壁垒。这种工艺赋予材料三大核心优势：
- 极致致密化的实现
热压工艺使Si₃N₄陶瓷相对密度达到99.2%以上（常规气压烧结仅97%-98%），孔隙率低于0.5%。致密度的提升直接反映在机械性能上：抗弯强度突破1000MPa（远高于AlN的350MPa），断裂韧性达8.5 MPa·m¹/²，为半导体封装提供堪比金属的机械支撑。
- β-Si₃N₄晶粒的定向生长
在轴向压力驱动下，β相晶粒沿c轴择优生长，形成长径比＞10的柱状晶互锁结构。这种微观特征带来双重增益：
- 热导率跃升：晶粒取向减少声子散射，使基板热导率突破120W·m⁻¹·K⁻¹（普通烧结工艺仅85-95W·m⁻¹·K⁻¹），与SiC芯片形成完美热匹配；
- 抗分层能力：互锁结构将覆铜层与基板的热膨胀失配应力分散率提升60%，经3000次-40~250℃热循环后仍保持界面完整（AlN基板仅能承受500次）。
- 氧杂质的深度净化
热压环境中的高压氮气可将晶格氧含量降至0.5wt.%以下（常规工艺＞1.2wt.%）。每降低0.1%氧含量，热导率提升约15W·m⁻¹·K⁻¹，介电损耗角正切值（tanδ）下降至0.001（@1MHz）。
性能图谱：从实验室数据到工程验证
- 力学性能的全面领先
- 抗弯强度：1000-1200MPa（Al₂O₃：300MPa，AlN：350MPa）
- 断裂韧性：7.5-8.5 MPa·m¹/²（AlN：3.2 MPa·m¹/²）
- 韦布尔模数：＞20，可靠性超越99.99%
- 热管理能力的革命性突破
尽管AlN热导率更高，但其抗热震性和机械强度仅为Si₃N₄的1/2。在IGBT模块中，热压Si₃N₄基板可使芯片结温降低15-20℃，功率循环寿命提升3倍
- 电气性能的协同优化
- 介电强度：＞25kV/mm（1mm厚度）
- 体积电阻率：＞10¹⁴Ω·cm（@500℃）
- 介质损耗：tanδ＜0.001（@1MHz）
这些特性使其在1200V以上高电压场景中，漏电流较Al₂O₃基板降低2个数量级。
产业化进程：技术突破与成本博弈
- 烧结助剂体系的创新
传统Y₂O₃-Al₂O₃助剂体系虽能促进致密化，但残留晶界相会大幅降低热导率。新型非氧化物助剂（如YbH₂-MgO）通过以下机制实现性能跃升：
- 脱氧反应：YbH₂分解产生的活性H₂与晶格氧结合生成H₂O挥发，氧含量降至0.3wt.%；
- 晶界净化：MgO与SiO₂反应生成高熔点MgSiO₃，晶界相熔点从1450℃提升至1650℃。
- 工艺参数的精准调控
西安交通大学团队开发的两步热压烧结法，通过预烧结（1600℃/2h）实现颗粒重排，再经1900℃/6h终烧结完成相变。该方法使热导率提升至142W·m⁻¹·K⁻¹，生产成本降低30%。
- 覆铜技术的突破
采用活性金属钎焊（AMB）工艺，在Si₃N₄表面形成3-5μm的TiN过渡层，使铜层结合强度达80MPa（直接键合仅25MPa）。经1000次-55~175℃热循环后，界面剥离面积＜1%（传统工艺＞10%）
本文原文来自网易新闻