重點(diǎn) 將氮化硅陶瓷的厚度和絕緣耐壓的關(guān)系驗(yàn)證到數(shù)10 μm的厚度 證實(shí)了超薄板氮化硅陶瓷基板的高絕緣耐壓 在新一代電動(dòng)汽車和太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域，期待著對(duì)進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換和控制的功率模塊的高輸出化、小型化做出貢獻(xiàn)
概要 國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(以下稱“產(chǎn)綜研”)多材料研究部門(mén)陶瓷組織控制組中島佑樹(shù)研究員、福島學(xué)研究組組長(zhǎng)、周游主任研究員、平尾喜代司招聘研究員、日向秀樹(shù)研究組等人試制了32 μm的超薄基板氮化硅絕緣散熱基板，證實(shí)了該薄板的絕緣耐壓處于可用于新一代電動(dòng)汽車的水平。為了散熱，要求高效進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換和控制的功率模塊基板薄板化。 但是，由于隨著薄板化，絕緣耐壓也降低，所以掌握薄板基板的絕緣耐壓·機(jī)械強(qiáng)度等和查明現(xiàn)象是不可缺少的。 雖然通過(guò)燒結(jié)制作的氮化硅陶瓷基板作為下一代絕緣散熱基板備受矚目，但其絕緣耐壓的測(cè)量事例很少。 因此，對(duì)各種厚度的超薄型氮化硅陶瓷基板的絕緣耐壓進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，隨著薄板化，絕緣耐壓降低，但50 μm以下的薄型基板的降低程度變緩，即使是32 μm的超薄型基板也能承受約2.8 kV的電壓。 該數(shù)值是比新一代電動(dòng)汽車所需的工作電壓850 V足夠高的值。 而且，與市售基板相比，基板厚度為1/10，因此散熱性提高了10倍左右。 另外，該技術(shù)的詳細(xì)情況將于2021年12月1日(日本時(shí)間)刊登在日本雜志上。 另外，將在2021年11月26日~2022年2月28日在線召開(kāi)的nano tech 2022國(guó)際納米技術(shù)綜合展技術(shù)會(huì)議上進(jìn)行介紹。
絕緣散熱基板的概略圖和絕緣破壞
開(kāi)發(fā)的社會(huì)背景 在電動(dòng)汽車和電氣化鐵路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源相關(guān)領(lǐng)域，高效進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換和控制的功率模塊預(yù)計(jì)今后將迅速普及。 為了功率模塊的小型化和高輸出化，考慮基板材料的熱、機(jī)械、電氣特性，選擇適合用途的最佳基板材料是很重要的。 目前通用的基板材料的散熱性、耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度、絕緣耐壓、成本如表1所示。 樹(shù)脂基板由于價(jià)格便宜，所以用于電量小的家電等，但是熱傳導(dǎo)率低，散熱性差，另外，耐熱性也低，所以不能用于大功率模塊。 因此，具有高散熱性和耐熱性的氧化鋁陶瓷( Al2O3)、氮化鋁陶瓷( AlN )、氮化硅陶瓷( Si3N4)等陶瓷基板用于處理大功率的混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車的功率模塊用絕緣基板。 現(xiàn)在，隨著功率模塊的輸出密度進(jìn)一步增大，為了提高散熱性，要求薄板化。 作為高熱傳導(dǎo)陶瓷基板被廣泛使用的氮化鋁陶瓷由于具有低強(qiáng)度·低破壞韌性，因此很難薄板化后使用。 另一方面，氮化硅陶瓷同時(shí)具有高強(qiáng)度和斷裂韌性，因此期待基板薄板化，需要把握板厚和絕緣耐壓的關(guān)系。
研究的經(jīng)過(guò) 如上所述的社會(huì)背景，作為功率模塊用陶瓷基板，對(duì)高熱傳導(dǎo)率、高破壞韌性的氮化硅受到了關(guān)注。 產(chǎn)業(yè)綜合研究所一直在進(jìn)行氮化硅陶瓷的高熱傳導(dǎo)率化、陶瓷基板的絕緣耐壓測(cè)量、進(jìn)行金屬化基板的溫度循環(huán)試驗(yàn)等的可靠性評(píng)價(jià)等新一代功率模塊用陶瓷基板的研究開(kāi)發(fā)。 一般的氮化硅陶瓷基板的熱傳導(dǎo)率約為90 W/(m )，而2011年產(chǎn)總研開(kāi)發(fā)了破壞韌性為3倍以上、熱傳導(dǎo)率為177 W/(m )的世界最高的氮化硅陶瓷( 2011年9月) 產(chǎn)業(yè)綜合研究所目前也在整體開(kāi)發(fā)提高高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的機(jī)械特性、薄板基板制造工藝以及評(píng)價(jià)技術(shù)的技術(shù)。 與此同時(shí)，由于擔(dān)心隨著這種氮化硅陶瓷的薄板化，絕緣耐壓會(huì)降低，因此對(duì)于氮化硅陶瓷的厚度依賴性的研究也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 另外，關(guān)于廉價(jià)的氧化鋁陶瓷基板( 30 W/(m )左右)、熱傳導(dǎo)率優(yōu)異的氮化鋁陶瓷基板( 180 W/(m )左右)的絕緣耐壓的厚度的影響的相關(guān)研究正在進(jìn)行，幾乎沒(méi)有關(guān)于氮化硅陶瓷的報(bào)告實(shí)例。
研究的內(nèi)容 顯示了這次評(píng)價(jià)的氮化硅陶瓷的組織(圖1-a )、薄板化的試樣的外觀(圖1-b、板厚32 μm )、透光性的形象照片(圖1-c )。 由組織像測(cè)量的基板具有在微細(xì)粒子中分散有大柱狀粒子的復(fù)合組織。 由于柱狀粒子發(fā)達(dá)的獨(dú)特組織，本材料具有高斷裂韌性，與低斷裂韌性的傳統(tǒng)材料氮化鋁陶瓷和氧化鋁陶瓷不同，可以加工成極薄板，也可以變形。 并且，本氮化硅陶瓷不含氣孔，密度高，因此隨著薄板化也表現(xiàn)出透光性。 這種變形特性和透光性在現(xiàn)行厚度( 320 μm~1 mm )的絕緣散熱基板中得不到，作為新的附加價(jià)值也備受關(guān)注。
図1 超薄型基板(32μm)の(a)組織像、(b)外観、(c)透光性のイメージ寫(xiě)真
接著，如圖2所示，氮化硅陶瓷基板從285 μm到32 μm，隨著其厚度的減少，絕緣耐壓降低，但即使是32 μm的超薄型，也具有2.8 kV的高絕緣耐壓。 另外，該數(shù)值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新一代電動(dòng)汽車的工作電壓850 V的值。 目前市場(chǎng)上銷售的氮化硅陶瓷基板即使薄也只有300 μm左右，散熱性與厚度成反比，例如厚度變?yōu)槭种粫r(shí)，散熱性將提高10倍左右，因此超薄基板有望實(shí)現(xiàn)更高輸出、小型的功率模塊。
今后的計(jì)劃 今后，通過(guò)系統(tǒng)評(píng)價(jià)調(diào)整了微細(xì)結(jié)構(gòu)的氮化硅陶瓷基板的絕緣耐壓的厚度依賴性和微細(xì)缺陷的影響，闡明了以往未明確的陶瓷基板的絕緣破壞機(jī)制，通過(guò)進(jìn)行考慮了破壞機(jī)制的材料設(shè)計(jì)，在開(kāi)發(fā)具有更高絕緣耐壓的薄板基板的同時(shí)，伴隨著其電可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)的高度化，以推廣到下一代移動(dòng)用模塊基板材料等為目標(biāo)。
用語(yǔ)說(shuō)明 ◆絕緣耐壓 本來(lái)，在不通電的絕緣材料上施加一定以上的電場(chǎng)時(shí)，大電流流動(dòng)的現(xiàn)象稱為絕緣破壞。 產(chǎn)生絕緣破壞的電壓稱為絕緣耐壓(絕緣破壞電壓)。
研制的高熱傳導(dǎo)率氮化硅斷裂面的電鏡照片
開(kāi)發(fā)的社會(huì)背景 近年來(lái)，由于功率電子學(xué)的進(jìn)步，高效地進(jìn)行電力變換和控制的功率器件迅速普及。 作為高輸出的器件被活用于工業(yè)機(jī)器人、電車等運(yùn)輸設(shè)備的電機(jī)控制。 而且，汽車動(dòng)力混合化、電動(dòng)馬達(dá)化的趨勢(shì)急速發(fā)展，高輸出功率模塊的市場(chǎng)正在迅速擴(kuò)大。 功率模塊進(jìn)行數(shù)十到數(shù)百千瓦的大功率轉(zhuǎn)換控制，因此對(duì)其電路基板要求高絕緣性、散熱性、耐熱性。 氮化鋁( AlN )基板具有約200 W/(m·K )的高熱導(dǎo)率，一直被用于車載逆變器等輸出密度高的功率模塊的電路基板。 但是，功率模塊的輸出密度逐年增高，另外，在搭載于汽車等的情況下，由于暴露于較大的溫度變化，并且接合部分產(chǎn)生高應(yīng)力，因此對(duì)電路基板除了高熱導(dǎo)率之外還強(qiáng)烈要求優(yōu)異的機(jī)械特性。 圖1表示目前市售的氧化鋁基板、氮化鋁基板、氮化硅基板的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率(圖1-a )以及斷裂韌性和熱導(dǎo)率(圖1-b )的關(guān)系。 氮化鋁基板雖然具有高導(dǎo)熱率，但與氮化硅相比，機(jī)械特性(強(qiáng)度和破壞韌性)較低。 另一方面，氮化硅雖然具有優(yōu)異的機(jī)械特性，但熱傳導(dǎo)率小于氮化鋁的一半。 但是，氮化硅的理論熱傳導(dǎo)率被預(yù)測(cè)為超過(guò)200 W/(m·K )，作為兼具優(yōu)異機(jī)械特性和高熱傳導(dǎo)率的下一代電路基板材料，氮化硅陶瓷的熱傳導(dǎo)率被強(qiáng)烈要求提高。
圖2開(kāi)發(fā)的高熱傳導(dǎo)率氮化硅斷裂面的電鏡照片
用語(yǔ)說(shuō)明 ◆氮化硅陶瓷 通過(guò)燒結(jié)方法將氮化硅粉末致密地?zé)Y(jié)而成的燒結(jié)體被稱為氮化硅陶瓷。 氮化硅非常難燒結(jié)，添加百分之幾到十左右的氧化物作為燒結(jié)助劑，通過(guò)高溫下生成的熔體進(jìn)行致密化。 耐熱沖擊性、耐腐蝕性優(yōu)異，是具有高強(qiáng)度、破壞韌性的代表性結(jié)構(gòu)用陶瓷。 另一方面，近年來(lái)，如本文所解說(shuō)的那樣，發(fā)展高熱傳導(dǎo)率，期待著作為兼具高熱傳導(dǎo)率、絕緣性、優(yōu)良機(jī)械特性的陶瓷散熱基板的展開(kāi)。 返回參照源 ◆熱傳導(dǎo)率 表示物質(zhì)中熱傳遞難易度的物理量。 具體而言，是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱能除以溫度梯度的值，具有W/(m·K )的單位。 返回參照源 ◆強(qiáng)度 對(duì)材料施加力時(shí)，材料在斷裂之前能夠承受的力。 通過(guò)對(duì)材料施加力的方法，測(cè)定拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等。 返回參照源 ◆功率器件、功率模塊 用半導(dǎo)體元件進(jìn)行大功率控制(整流、直流交流轉(zhuǎn)換、頻率轉(zhuǎn)換、電流電壓控制等)的器件一般稱為功率器件，是整流二極管、功率晶體管(功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管( IGBT ) )等 嵌入了控制電力的功率MOSFET和IGBT等功率器件的驅(qū)動(dòng)電路和自我保護(hù)功能的是功率模塊。 返回參照源 ◆硅粉末成型體、氮化反應(yīng) 如果將硅粉末成型體在硅的熔點(diǎn)( 1410℃)以下加熱，則成型體的外形不會(huì)發(fā)生變化，可以轉(zhuǎn)換成由氮化硅粒子構(gòu)成的成型體。 此時(shí)，各個(gè)硅粒子的體積通過(guò)氮化反應(yīng)增大約22%，另外試樣的外形尺寸不變化，結(jié)果，得到了密度比最初的成型體高的氮化物。 如果預(yù)先在硅粉末中添加氮化硅燒結(jié)用的燒結(jié)助劑，則在氮化后，通過(guò)提高溫度進(jìn)行燒結(jié)(稱為后燒結(jié))，可以通過(guò)一系列的工藝進(jìn)行硅的氮化反應(yīng)和之后的氮化體的燒結(jié)。 返回參照源 ◆氮化鋁陶瓷 通過(guò)燒結(jié)方法將氮化鋁粉末致密地?zé)Y(jié)而成的燒結(jié)體被稱為氮化鋁陶瓷。 由于與氮化硅同樣具有難燒結(jié)性，因此添加稀土類氧化物等作為燒結(jié)助劑，制作出致密的燒結(jié)體。 在陶瓷中熱傳導(dǎo)率極高，且具有優(yōu)異的電絕緣性，因此被用作散熱基板和散熱部件。 返回參照源 ◆破壞韌性 表示材料彈性強(qiáng)度的指標(biāo)。 向材料中引入鍵裂時(shí)，對(duì)鍵裂發(fā)展的阻力就是斷裂韌性。 一般用MPam1/2的單位表示。 斷裂韌性高的材料即使有一些裂紋也能保持強(qiáng)度，而斷裂韌性低的材料即使存在小裂紋，強(qiáng)度也會(huì)顯著降低。 返回參照源 ◆燒結(jié)助劑 氮化硅共價(jià)鍵性強(qiáng)，物質(zhì)擴(kuò)散極慢，因此即使原料很微細(xì)，直接將成型體加熱到高溫也不能使其致密化。 因此，微量添加在高溫下生成熔體的氧化物，通過(guò)生成的熔體進(jìn)行致密化。 為此添加的微量成分稱為燒結(jié)助劑。 另外，氮化硅粒子的表面被極薄的氧化層(二氧化硅層)復(fù)蓋，在代表性的燒結(jié)用原料粉末中，其雜質(zhì)二氧化硅量為2%左右。 這種雜質(zhì)二氧化硅和添加的燒結(jié)助劑反應(yīng)生成二氧化硅系的液相，促進(jìn)致密化。 返回參照源 ◆燒結(jié)(燒結(jié)體) 燒結(jié)是指，將處于接觸狀態(tài)的粒子保持在熔點(diǎn)以下的溫度時(shí)，粒子向減少粒子系統(tǒng)整體的表面能的方向進(jìn)行合并，成形體的氣孔被排除到外部，成為沒(méi)有氣孔的致密的多晶體陶瓷的現(xiàn)象。 許多陶瓷利用燒結(jié)現(xiàn)象使由微細(xì)粉末構(gòu)成的成型體凝固。 通過(guò)燒結(jié)制造的致密體被稱為“燒結(jié)體”。 另外，為了促進(jìn)燒結(jié)時(shí)的致密化，或者控制燒結(jié)體的組織，經(jīng)常在主原料中添加燒結(jié)助劑。 返回參照源 ◆3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度 在棱柱狀試驗(yàn)片的下面放置兩處支點(diǎn)，從位于兩點(diǎn)之間中心的上面的負(fù)荷點(diǎn)施加負(fù)荷，材料斷裂時(shí)測(cè)量的最大彎曲應(yīng)力。 由單位面積的力定義，一般用MPa(= N/mm2 )的單位表示。 返回參照源
今后的計(jì)劃 今后，將根據(jù)此次開(kāi)發(fā)的工藝，確立兼具高熱傳導(dǎo)率和優(yōu)良機(jī)械特性的氮化硅電路基板的制造工藝，謀求作為功率模塊用等要求基于散熱性和優(yōu)良機(jī)械特性的可靠性的基板材料的實(shí)用化。
聯(lián)系客服
