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當(dāng)國(guó)產(chǎn)氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，中國(guó)新能源汽車開(kāi)啟性能狂飆模式

一、第3代半導(dǎo)體材料——碳化硅SiC性能優(yōu)勢(shì)明顯

碳化硅SiC是第3代寬禁帶半導(dǎo)體代表材料，具有熱導(dǎo)率高、擊穿電場(chǎng)高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，采用碳化硅SiC制材料備的第3代半導(dǎo)體器件不僅能在較高溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，還能以較少的電能消耗，獲得更高效的運(yùn)行能力。

相比于首代Si硅基半導(dǎo)體，第3代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅SiC具有2倍的極限工作溫度、10倍的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、3倍的禁帶、超過(guò)2倍的飽和電子漂移速率、3倍的熱導(dǎo)率即3倍的冷卻能力。

▲ 1-3各代半導(dǎo)體材料性能對(duì)比

碳化硅SiC作為第3代半導(dǎo)體材料性能穩(wěn)定高效，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、充電設(shè)備、便攜式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、通信設(shè)備、機(jī)械臂、飛行器、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、高鐵等等眾多高電壓和高頻率工業(yè)領(lǐng)域。受益于5G通信、國(guó)防軍工、新能源汽車、新能源光伏和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的高速發(fā)展，碳化硅二極管、碳化硅MOSFET、碳化硅功率芯片、SiC碳化硅功率模塊等碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模急速膨脹。

▲當(dāng)?shù)杌邋忮颂蓟韫β誓K，國(guó)產(chǎn)第3代半導(dǎo)體材料助力我國(guó)新興工業(yè)高速發(fā)展

二、AMB工藝氮化硅基板是第3代半導(dǎo)體材料碳化硅功率模塊器件封裝完美之選

目前，半導(dǎo)體電子器件行業(yè)廣泛應(yīng)用的陶瓷基板，通常按照基板材料劃分主要有Al2O3氧化鋁陶瓷基板、AlN氮化鋁陶瓷基板和Si3N4氮化硅陶瓷基板三種。

氧化鋁陶瓷基板優(yōu)劣勢(shì)。氧化鋁基板最常見(jiàn)，通常采用DBC工藝，氧化鋁基板低介電損耗、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、機(jī)械強(qiáng)度較高，其制造工藝成熟、且成本低廉，主要在中低端工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域有較大的市場(chǎng)需求。但是氧化鋁基板導(dǎo)熱性差，驟冷驟熱循環(huán)次數(shù)僅僅200余次，無(wú)法滿足日益發(fā)展的新能源電動(dòng)汽車等第3代大功率半導(dǎo)體的應(yīng)用發(fā)展需求。

氮化鋁陶瓷基板優(yōu)劣勢(shì)。氮化鋁基板導(dǎo)熱率較高，具有優(yōu)良的絕緣性，DBC和AMB兩種工藝均有采用，氮化鋁基板的導(dǎo)熱性能好，且與第3代大功率半導(dǎo)體材料有很好的匹配性，但是氮化鋁基板機(jī)械性能和抗熱震性能差，不僅影響半導(dǎo)體器件可靠性，而且氮化鋁基板屬于高強(qiáng)度的硬脆材料，在復(fù)雜服役環(huán)境下，容易損壞，使用成本較高。

▲氮化硅陶瓷基板、氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板材料性能對(duì)比

氮化硅陶瓷基板優(yōu)劣勢(shì)。氮化硅基板綜合性能優(yōu)異可靠，主要采用活性金屬釬焊覆銅AMB工藝，氮化硅基板在高導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)、抗氧化性能、熱腐蝕性能、低介電損耗、低摩擦系數(shù)等方面具有優(yōu)異的性能。它的理論熱導(dǎo)率高達(dá)400W/（m.k），熱膨脹系數(shù)約為3.0x10-6℃，與Si、SiC、GaAs等材料都有良好的匹配性，氮化硅基板的高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性能完全滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的第3代大功率半導(dǎo)體電子器件基板材料封裝要求。

氧化鋁基板和氮化鋁基板普遍使用的DBC直接覆銅工藝，DBC直接覆銅是利用共晶鍵合法工藝制備而成，覆銅層與氧化鋁基板和氮化鋁基板之間沒(méi)有粘結(jié)材料，采用氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板的半導(dǎo)體電子器件在高溫工作過(guò)程中，通常會(huì)因?yàn)殂~和氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致覆銅層從氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板表面剝離，因此，采用傳統(tǒng)的DBC工藝的氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板已經(jīng)難以滿足大功率、高溫、高散熱、高可靠性的SiC碳化硅汽車電子功率器件模塊等第3代大功率半導(dǎo)體材料封裝要求。

采用AMB工藝氮化硅陶瓷覆銅基板則是利用包括鈦Ti、鋯Zr、鉭Ta、鈮Nb、釩V、鉿Hf等活性金屬元素可以潤(rùn)濕陶瓷表面的特性，將覆銅層通過(guò)活性金屬釬料釬焊在氮化硅陶瓷基板上。通過(guò)活性金屬釬焊AMB工藝形成的銅與氮化硅陶瓷界面粘結(jié)強(qiáng)度更高，且氮化硅陶瓷基板相比Al2O3氧化鋁陶瓷基板和AlN氮化鋁陶瓷基板同時(shí)兼顧了優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的導(dǎo)熱性，因此采用AMB工藝氮化硅陶瓷覆銅基板各方面性能比較均衡，在高溫下的工作可靠性能更強(qiáng)，所以說(shuō)氮化硅陶瓷覆銅基板是氧化鋁陶瓷基板和氮化鋁陶瓷基板升級(jí)產(chǎn)品，是第3代半導(dǎo)體材料SiC汽車電子功率器件模塊封裝完美之選。

三、當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源汽車開(kāi)啟性能狂飆模式

碳化硅SiC作為第3代寬禁帶半導(dǎo)體材料，相對(duì)于第1代Si硅基半導(dǎo)體器件具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、擊穿電場(chǎng)高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是在高頻、高溫、高壓等工作場(chǎng)景中，有著易散熱、小體積、高功率、低能耗等諸多明顯的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅基板的優(yōu)異高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱的綜合性能，完美配套升級(jí)碳化硅功率模塊的性能優(yōu)勢(shì)。氮化硅基板配套升級(jí)碳化硅功率模塊的寬禁帶特性有助于提高碳化硅器件的穩(wěn)定性，使其具備良好的耐高溫性、耐高壓性和抗輻射性，顯著提升器件功率密度，從而利于系統(tǒng)散熱與終端小型輕便化；氮化硅基板配套升級(jí)碳化硅功率模塊的高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，使其具備耐高壓性和低能耗性，利于器件體積薄化的同時(shí)提高系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力；氮化硅基板配套升級(jí)碳化硅功率模塊的高飽和電子漂移速率特性意味著較低的電阻，顯著降低能量損失，簡(jiǎn)化周邊被動(dòng)器件，大幅提升開(kāi)關(guān)頻率同時(shí)提高整機(jī)效率。

當(dāng)下，新能源電動(dòng)汽車爆發(fā)式增長(zhǎng)的勢(shì)頭不可阻擋，氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC功率模塊，對(duì)提升新能源汽車加速度、續(xù)航里程、充電速度、輕量化、電池成本等各項(xiàng)性能尤為重要。全球眾多汽車廠商在新能源電動(dòng)汽車車型上，大都采用了或者準(zhǔn)備采用氮化硅陶瓷基板升級(jí)碳化硅二極管、碳化硅MOSFET，以及由碳化硅二極管與碳化硅MOSFET構(gòu)成的SiC功率模塊等碳化硅功率器件。據(jù)業(yè)內(nèi)資深機(jī)構(gòu)最新估計(jì)，隨著眾多基于800V及以上高壓平臺(tái)架構(gòu)的新能源汽車已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，以及隨著氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC功率模塊產(chǎn)能提升成本價(jià)格下探，到2030年將有超過(guò)75%的新能源電動(dòng)汽車電子功率器件領(lǐng)域采用AMB氮化硅陶瓷覆銅基板工藝升級(jí)的SiC功率模塊技術(shù)。

1、當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源電動(dòng)汽車開(kāi)啟加速度性能

起步百公里加速時(shí)間是每一新款剛上市的新能源電動(dòng)汽車的重要性能參數(shù)。新能源電動(dòng)汽車加速性能與動(dòng)力系統(tǒng)輸出的最大功率和最大扭矩密切相關(guān)，當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC功率模塊技術(shù)允許驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)承受更大輸入功率，而且不懼因?yàn)殡娏鬟^(guò)大所導(dǎo)致的熱效應(yīng)和功率損耗，這就意味著新能源電動(dòng)汽車起步時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以輸出更大扭矩，提升加速度，強(qiáng)化加速性能。

2、當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源電動(dòng)汽車增加續(xù)航里程

續(xù)航里程是當(dāng)前新能源電動(dòng)汽車的主要痛點(diǎn)。當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC功率模塊通過(guò)導(dǎo)通與開(kāi)關(guān)兩個(gè)維度降低電能損耗，以最大限度地減少寄生效應(yīng)和熱阻，提升效率減少與DC-AC轉(zhuǎn)換有關(guān)的功率損耗，從而實(shí)現(xiàn)增加新能源電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的目的。

3、當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源電動(dòng)汽車縮短充電時(shí)間

充電時(shí)間長(zhǎng)短是評(píng)價(jià)一輛新能源電動(dòng)汽車性能體驗(yàn)感的重要參數(shù)，當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC功率模塊高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，可在800V及以上的高壓平臺(tái)上搭配350kW以上超級(jí)充電樁，以提升充電速度，縮短充電時(shí)長(zhǎng)。

4、當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，有助于新能源電動(dòng)汽車輕量化

當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC功率模塊增強(qiáng)電氣和機(jī)械性能以及可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)，減少濾波器，變壓器、電容、電感等無(wú)源器件的使用，從而減少系統(tǒng)體系和重量，相同功率等級(jí)下實(shí)現(xiàn)封裝體積尺寸更小。同時(shí)，氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC功率模塊且具有良好的熱導(dǎo)率，可以使器件模塊工作于較高的環(huán)境溫度中，從而減少散熱器體積和重量。SiC可以降低開(kāi)關(guān)與導(dǎo)通損耗，使系統(tǒng)效率提升，同樣續(xù)航范圍內(nèi)，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。

5、當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，新能源電動(dòng)汽車降低電池成本

充電功率相同的情況下，當(dāng)?shù)杼沾苫邋忮颂蓟韫β誓K，氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC功率模塊實(shí)現(xiàn)新能源電動(dòng)汽車在800V高壓快充架構(gòu)下的高壓線束直徑更小，相應(yīng)成本更低；氮化硅陶瓷基板升級(jí)SiC碳化硅功率模塊高熱導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)新能源電動(dòng)汽車電池散熱的更少，相對(duì)降低電池?zé)峁芾黼y度，進(jìn)一步降低電池整體成本。

四、當(dāng)國(guó)產(chǎn)氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，助力我國(guó)新能源汽車性能狂飆

深圳市華海興達(dá)科技有限公司多年來(lái)與海內(nèi)外先進(jìn)陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)軍人物建立了深厚的技術(shù)合作關(guān)系，在國(guó)內(nèi)精密陶瓷材料領(lǐng)域具有一定權(quán)威和建樹(shù)的高等院校和科研機(jī)構(gòu)建立了校企研發(fā)合作關(guān)系，擁有了一批多年從事研制、開(kāi)發(fā)的中高級(jí)技術(shù)人員和管理人員，使我們具有精湛的技術(shù)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、高效的管理水平。深圳市華海興達(dá)科技有限公司研發(fā)及生產(chǎn)測(cè)試團(tuán)隊(duì)具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，核心工程師擁有十余年的精密陶瓷技術(shù)積累和強(qiáng)大的應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力。華海興達(dá)始終致力于高性能及高可靠性氮化硅陶瓷設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)銷售，打造高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷基板生產(chǎn)國(guó)貨領(lǐng)軍品牌，持續(xù)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新為客戶及時(shí)提供高性價(jià)比的氮化硅陶瓷材料產(chǎn)品和服務(wù)。