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2022-10-08 11:22:36
中國高導熱氮化硅陶瓷基板突破“卡脖子”難題——威海圓環氮化硅陶瓷系列高新技術產品從研發到量產的創新之路
2022-10-08 11:22:36 來源: 榕城網
基板向前路七載畫圓環
地處威海臨港經濟開發區的威海圓環先進陶瓷股份有限公司歷時七年，在研制高導熱氮化硅陶瓷基板過程中，抓住細節，把握核心，不斷發現和解決各類生產的難題，先后研制出了高絕緣氮化硅陶瓷基板，導電氮化硅陶瓷基板和高韌性氮化硅陶瓷基板，生產出了不同用途的系列產品。
▲威海圓環生產的行業標準規格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高導熱氮化硅陶瓷基板
眾所周知，目前世界已經進入第三代半導體發展的關鍵時期，高導熱氮化硅陶瓷基板在美國和日本等西方先進國家都有成熟的產品。但是，作為智能信息時代大功率第三代半導體器件的重要的配套材料-高導熱氮化硅陶瓷基板，美國和日本等西方國家對我國不但實施產品封鎖、技術封鎖，還用《瓦格納協議》封鎖，美國政府用《半導體法案》對我國進行封鎖。在這種艱難的條件之下，2015年9月，威海圓環先進陶瓷股份有限公司開啟了高導熱氮化硅陶瓷基板技術研發自主創新之路，開始謀畫中國氮化硅陶瓷基板之圓。
迭代產品優潛力無限好
目前應用廣泛的絕緣陶瓷基板主要是氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、氮化硼陶瓷基板、氧化鈹陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板五種。
氧化鋁陶瓷基板雖然導熱性差，驟冷驟熱循環次數僅僅200余次，跟不上大功率半導體的發展，但其制造工藝成熟且成本低廉，在中低端領域仍有較大的市場需求。
氮化鋁陶瓷基板的導熱性最好，且與半導體材料有很好的匹配性，可用于高端行業，但是氮化鋁陶瓷基板機械性能和抗熱震性能差，影響半導體器件可靠性，使用成本較高。
氮化硼陶瓷基板可以在非常高的溫度下保持很高的化學和機械穩定性，同時BN陶瓷的熱導率與常溫不銹鋼相當，介電性能好。BN比大多數陶瓷脆性好，熱膨脹系數小，抗熱震性強，能承受1500℃以上溫差的急劇變化。但立方BN太貴，不能用于生產高導熱陶瓷材料。熱膨脹系數與硅的不匹配也限制了它的應用。
氧化鈹陶瓷基板導熱性好，在高溫、高頻下，介電性能好，耐熱性好，化學穩定性好耐熱沖擊性好。但是氧化鈹致命的缺點是其粉末的極端毒性，長期吸入氧化鈹粉塵會引起中毒甚至危及生命，還會造成環境污染，極大地影響氧化鈹陶瓷基板的生產和應用。另外，氧化鈹生產成本高，限制了其生產和應用。
而圓環生產的氮化硅陶瓷基板具有優異的導熱性、高機械強度、低膨脹系數，氮化硅抗氧化性好、熱腐蝕性能好、摩擦系數小等許多優良性能。它的理論熱導率高達400W/(m.k)，熱膨脹系數約為3.0x10-6℃，與Si、SiC、GaAs等材料具有良好的匹配性，使氮化硅陶瓷基板成為非常有吸引力的高強度高導熱電子器件基板材料。
在氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁基板、氮化硼基板、氧化鈹基板和氮化硅基板五種常用的陶瓷基板中，氮化硅陶瓷基板各方面性能比較均衡，特別是氮化硅陶瓷基板優良的力學性能和良好的高導熱潛質可以彌補現有其他陶瓷基板材料的不足，是綜合性能最好的結構陶瓷材料，隨著應用市場不斷擴大生產成本不斷降低，高導熱氮化硅陶瓷基板將是電路陶瓷基板理想的迭代產品。因此，氮化硅陶瓷基板在智能信息時代大功率第三代半導體器件的配套材料具有無限潛力。
▲威海圓環生產高導熱氮化硅陶瓷基板各項理化指標到了國際上行業領軍的質量水平
已經量產高導熱氮化硅陶瓷基板的企業來看，除了絕緣性能外，高熱導率和良好的彎曲強度是考核基板質量的重要指標。
抓細節魔鬼扼生產關鍵
介紹一個威海圓環在混料生產工藝中可以公開的細節問題的解決案例。某次威海圓環內部產品質量分析會上，一位操作工人發現，V型混料機混料后的粉體不均勻，會造成部分產品的性能指標不合格。威海圓環的各級領導對這個細節問題十分重視，并要求相關部門進行針對性試驗，拿出科學數據，要從根本上解決這個質量問題的隱患。
通過對不同規格和不同形狀混料的研磨介質材料進行多次對比試驗，發現加入適當比例的氮化硅陶瓷微珠，可以有效解決V型混料機的混料不均勻的問題。就這樣，設備還是原來的設備，混料研磨介質材料的形狀、粒徑大小和填充比例做了細微的改變，解決了生產中出現的問題，使得產品的質量得到了可靠的保障。
為了研制生產高導熱氮化硅陶瓷基板的粉體材料配方，威海圓環采購了國內多個廠家的氮化硅粉體進行對比試驗。當時為了氮化硅陶瓷導熱率這一個參數，威海圓環幾乎買遍了國內的所有稀元素品種，就這樣“日復一日，年復一年”，做實驗樣品—燒結—測試，這樣的過程進行了上千次的重復，經過相當長時間的努力，威海圓環氮化硅試塊的導熱率穩定的達到了80W/(k.m)以上，解決了高導熱氮化硅陶瓷基板的配方問題。
自主研發氮化硅陶瓷基板專用裝備最重要的是氣壓燒結爐，由于是盲跑，國內燒結爐生產廠家無法提供填爐、燒結工藝的支持，從原材料的甄選，備品備件等，所有的環節都需要自主研發。高導熱氮化硅陶瓷基板的平整度指標，是影響良品率的重要因素，受燒結設備、燒結工藝參數和裝缽工藝等綜合因素的影響，在整爐基板平整度合格率方面威海圓環就經歷了無數次的失敗，基板的合格率總是達不到理想的水平。最終威海圓環發現是由于燒結位置的不同，基板氣壓燒結爐內溫度場的不均勻等，是造成基板平整度合格率低的重要原因。于是威海圓環與投資人一起，聘請專業窯爐設計人員參與對氣壓燒結爐進行針對性的熱場優化和控制優化設計，成功制造出高導熱氮化硅陶瓷基板專用的氣氛氣壓燒結爐。正所謂“工欲善其事，必先利其器”，新型的專用窯爐作為“母機”使高導熱氮化硅陶瓷基板的燒結過程變得穩定而可控，又完成了一次基礎專業設備的自主設計制造的跨越。
艱難創新路盼勇者先行
由于氮化硅陶瓷基板具有的優良性能，研制高導熱氮化硅陶瓷基板技術難度大，生產成本高，市場小，國內科研院所研究氮化硅陶瓷基板科技人員極少，引進專業人才都是一個難以解決的問題。這也是很多陶瓷新材料企業對于高導熱氮化硅陶瓷基板技術研發的自主創新之路觀望，不敢下定決心加大投入的原因。
圓環的研發團隊自從決心攻克這個世界難題，埋頭苦干，用7年的時間克服研發資金短缺的難題，從研發到量產，一路攻克氮化硅粉體研磨、配方、制漿和流延，脫脂與燒結等所遇到的種種工藝難題和技術困難。如今七個春秋已過，威海圓環先進陶瓷股份有限公司的研發團隊已經畫出了完整的圓環，威海圓環生產的行業標準規格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高導熱氮化硅陶瓷基板已經達到量產的水平，突破了西方先進國家在高導熱氮化硅陶瓷基板的技術保護和應用產品對我國“卡脖子”難題。還參照國際相關工藝標準制定了威海圓環企業標準，保證了高導熱氮化硅陶瓷基板各項理化指標穩定，實現了產品穩定、批量、規模化的生產，并達到了國際上行業領軍的質量水平。
擁核心技術，創行業先鋒。
7年的艱難探索，威海圓環突破氮化硅系列產品“卡脖子”核心技術，成功開發出了具有完全自主知識產權的工藝和設備平臺，達到行業領軍水平，真正成為了全球行業的“領跑者”。
七年中，威海圓環培養出了自己的科研和生產團隊;
七年中，威海圓環成功研制氮化硅基板專用氣壓燒結爐等專業設備;
七年中，威海圓環還生產了氮化硅微珠，氮化硅晶須，氮化硅醫用刀片、精磨氮化硅軸承球等一系列氮化硅產品;
七年中，威海圓環還給國內外眾多企業用戶量身定制了各種異形氮化硅陶瓷結構件。
隨著5G、AI、物聯網、高鐵、自動駕駛等智能化產業的快速發展，從發電端、輸變電端到用電端，作為智能信息時代大功率第三代半導體器件的重要的配套材料，高導熱氮化硅陶瓷基板市場需求有望出現井噴式增長。把握住高導熱氮化硅陶瓷基板的研發技術，自然就等于把握住了智能化產業中的重要命門。在日漸緊張的國際形勢下，掌握核心技術，突破“卡脖子”難題，不受制于人，以技術創新引導產品開發，勇當行業先鋒，是中國高導熱氮化硅陶瓷基板生產企業增強自身競爭力的必由之路，也是圓環企業的發展之路。(顏輝)
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