国产氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，国产新能源汽车开启性能狂飙模式

氮化硅基板邂逅碳化硅功率模块，国产新能源汽车性能狂飙

一、第3代半导体材料——碳化硅SiC性能优势明显

碳化硅SiC是第3代宽禁带半导体代表材料，具有热导率高、击穿电场高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，采用碳化硅SiC制材料制备的第3代半导体器件不仅能在较高温度下稳定运行，还能以较少的电能消耗，获得更高效的运行能力。

相比于首代Si硅基半导体，第3代宽禁带半导体碳化硅SiC具有2倍的极限工作温度、10倍的击穿电场强度、3倍的禁带、超过2倍的饱和电子漂移速率、3倍的热导率即3倍的冷却能力。

▲ 1-3各代半导体材料性能对比

碳化硅SiC作为第3代半导体材料性能稳定高效，广泛应用于电动汽车、充电设备、便携式电源、储能设备、通信设备、机械臂、飞行器、太阳能光伏发电、风力发电、高铁等等众多高电压和高频率工业领域。受益于5G通信、国防军工、新能源汽车、新能源光伏和风力发电等领域的高速发展，碳化硅二极管、碳化硅MOSFET、碳化硅功率芯片、SiC碳化硅功率模块等碳化硅功率器件市场规模急速膨胀。

二、AMB工艺氮化硅基板是第3代半导体材料碳化硅功率模块器件封装完美之选

目前，半导体电子器件行业广泛应用的陶瓷基板，通常按照基板材料划分主要有Al2O3氧化铝陶瓷基板、AlN氮化铝陶瓷基板和Si3N4氮化硅陶瓷基板三种。

氧化铝陶瓷基板优劣势。氧化铝基板最常见，通常采用DBC工艺，氧化铝基板低介电损耗、化学稳定性优良、机械强度较高，其制造工艺成熟、且成本低廉，主要在中低端工业应用领域有较大的市场需求。但是氧化铝基板导热性差，骤冷骤热循环次数仅仅200余次，无法满足日益发展的新能源电动汽车等第3代大功率半导体的应用发展需求。

氮化铝陶瓷基板优劣势。氮化铝基板导热率较高，具有优良的绝缘性，DBC和AMB两种工艺均有采用，氮化铝基板的导热性能好，且与第3代大功率半导体材料有很好的匹配性，但是氮化铝基板机械性能和抗热震性能差，不仅影响半导体器件可靠性，而且氮化铝基板属于高强度的硬脆材料，在复杂服役环境下，容易损坏，使用成本较高。

▲氮化硅陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板三种材料性能对比

氮化硅陶瓷基板优劣势。氮化硅基板综合性能优异可靠，主要采用活性金属钎焊覆铜AMB工艺，氮化硅基板在高导热性、高机械强度、低膨胀系数、抗氧化性能、热腐蚀性能、低介电损耗、低摩擦系数等方面具有优异的性能。它的理论热导率高达400W/（m.k），热膨胀系数约为3.0x10-6℃，与Si、SiC、GaAs等材料都有良好的匹配性，氮化硅基板的高强度和高导热性能完全满足高温、大功率、高散热、高可靠性的第3代大功率半导体电子器件基板材料封装要求。

氧化铝基板和氮化铝基板普遍使用的DBC直接覆铜工艺，DBC直接覆铜是利用共晶键合法工艺制备而成，覆铜层与氧化铝基板和氮化铝基板之间没有粘结材料，采用氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板的半导体电子器件在高温工作过程中，通常会因为铜和氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板之间的热膨胀系数不同而产生较大的热应力，从而导致覆铜层从氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板表面剥离，因此，采用传统的DBC工艺的氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板已经难以满足大功率、高温、高散热、高可靠性的SiC碳化硅汽车电子功率器件模块等第3代大功率半导体材料封装要求。

采用AMB工艺氮化硅陶瓷覆铜基板则是利用包括钛Ti、锆Zr、钽Ta、铌Nb、钒V、铪Hf等活性金属元素可以润湿陶瓷表面的特性，将覆铜层通过活性金属钎料钎焊在氮化硅陶瓷基板上。通过活性金属钎焊AMB工艺形成的铜与氮化硅陶瓷界面粘结强度更高，且氮化硅陶瓷基板相比Al2O3氧化铝陶瓷基板和AlN氮化铝陶瓷基板同时兼顾了优异的机械性能和良好的导热性，因此采用AMB工艺氮化硅陶瓷覆铜基板各方面性能比较均衡，在高温下的工作可靠性能更强，所以说氮化硅陶瓷覆铜基板是氧化铝陶瓷基板和氮化铝陶瓷基板升级产品，是第3代半导体材料SiC汽车电子功率器件模块封装完美之选。

三、当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，新能源汽车开启性能狂飙模式

碳化硅SiC作为第3代宽禁带半导体材料，相对于第1代Si硅基半导体器件具有禁带宽度大、热导率高、击穿电场高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等众多技术优势，尤其是在高频、高温、高压等工作场景中，有着易散热、小体积、 高功率、低能耗等诸多明显的优势特点。

当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，氮化硅基板的优异高强度和高导热的综合性能，完美配套升级碳化硅功率模块的性能优势。氮化硅基板配套升级碳化硅功率模块的宽禁带特性有助于提高碳化硅器件的稳定性，使其具备良好的耐高温性、耐高压性和抗辐射性，显著提升器件功率密度，从而利于系统散热与终端小型轻便化；氮化硅基板配套升级碳化硅功率模块的高击穿电场强度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范围，降低通电电阻，使其具备耐高压性和低能耗性，利于器件体积薄化的同时提高系统驱动力；氮化硅基板配套升级碳化硅功率模块的高饱和电子漂移速率特性意味着较低的电阻，显著降低能量损失，简化周边被动器件，大幅提升开关频率同时提高整机效率。

当下，新能源电动汽车爆发式增长的势头不可阻挡，氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块，对提升新能源汽车加速度、续航里程、充电速度、轻量化、电池成本等各项性能尤为重要。全球众多汽车厂商在新能源电动汽车车型上，大都采用了或者准备采用氮化硅陶瓷基板升级碳化硅二极管、碳化硅MOSFET，以及由碳化硅二极管与碳化硅MOSFET构成的SiC功率模块等碳化硅功率器件。据业内资深机构最新估计，随着众多基于800V及以上高压平台架构的新能源汽车已经进入量产阶段，以及随着氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块产能提升成本价格下探，到2030年将有超过75%的新能源电动汽车电子功率器件领域采用AMB氮化硅陶瓷覆铜基板工艺升级的SiC功率模块技术。

1、当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，新能源电动汽车开启加速度性能

起步百公里加速时间是每一新款刚上市的新能源电动汽车的重要性能参数。新能源电动汽车加速性能与动力系统输出的最大功率和最大扭矩密切相关，当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块技术允许驱动电机在低转速时承受更大输入功率，而且不惧因为电流过大所导致的热效应和功率损耗，这就意味着新能源电动汽车起步时，驱动电机可以输出更大扭矩，提升加速度，强化加速性能。

2、当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，新能源电动汽车增加续航里程

续航里程是当前新能源电动汽车的主要痛点。当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块通过导通与开关两个维度降低电能损耗，以最大限度地减少寄生效应和热阻，提升效率减少与DC-AC转换有关的功率损耗，从而实现增加新能源电动汽车续航里程的目的。

3、当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，新能源电动汽车缩短充电时间

充电时间长短是评价一辆新能源电动汽车性能体验感的重要参数，当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块高击穿电场强度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范围，降低通电电阻，可在800V及以上的高压平台上搭配350kW以上超级充电桩，以提升充电速度，缩短充电时长。

4、当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，有助于新能源电动汽车轻量化

当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块增强电气和机械性能以及可靠性，能够实现高频开关，减少滤波器，变压器、电容、电感等无源器件的使用，从而减少系统体系和重量，相同功率等级下实现封装体积尺寸更小。同时，氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块且具有良好的热导率，可以使器件模块工作于较高的环境温度中，从而减少散热器体积和重量。SiC可以降低开关与导通损耗，使系统效率提升，同样续航范围内，可以减少电池容量，有助于车辆轻量化。

5、当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，新能源电动汽车降低电池成本

充电功率相同的情况下，当氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块实现新能源电动汽车在800V高压快充架构下的高压线束直径更小，相应成本更低；氮化硅陶瓷基板升级SiC碳化硅功率模块高热导率实现新能源电动汽车电池散热的更少，相对降低电池热管理难度，进一步降低电池整体成本。

四、当国产氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模块，助力我国新能源汽车性能狂飙

2015年9月，威海圆环先进陶瓷股份有限公司开启了高导热氮化硅陶瓷基板技术研发自主创新之路，在研制高导热氮化硅陶瓷基板过程中，抓住生产细节，把握技术核心，不断发现和解决各类生产的难题，历时七年，威海圆环生产的0.32mmX139.7mmX190.5mm行业标准规格的高导热氮化硅陶瓷基板已经达到量产的水平，解决了西方先进国家在高导热氮化硅陶瓷基板的技术保护和应用产品对我国“卡脖子”难题。

▲威海圆环行业标准规格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高导热氮化硅陶瓷基板

例如1：某次威海圆环内部产品质量分析会上，一位操作工人发现，V型混料机混料后的粉体不均匀，会造成部分产品的性能指标不合格。威海圆环的各级领导对这个细节问题十分重视，并要求相关部门进行针对性试验，拿出科学数据，要从根本上解决这个质量问题的隐患。通过对不同规格和不同形状混料的研磨介质材料进行多次对比试验，发现加入适当比例的氮化硅陶瓷微珠，可以有效解决V型混料机的混料不均匀的问题。就这样，设备还是原来的设备，混料研磨介质材料的形状、粒径大小和填充比例做了细微的改变，解决了生产中出现的问题，使得产品的质量得到了可靠的保障。

例如2：在研制生产高导热氮化硅陶瓷基板的粉体材料配方过程中，为了降低晶格氧含量来制得高热导率的氮化硅，从原料粉体选择、烧结剂的选择开始，威海圆环采购了国内外多个厂家的氮化硅粉体进行对比试验。当时为了氮化硅陶瓷导热率这一个参数，威海圆环几乎买遍了国内外的所有稀元素品种，就这样“日复一日，年复一年”，做实验样品—烧结—测试，这样的过程进行了上千次的重复，经过长时间的不懈努力，威海圆环氮化硅试块的导热率稳定的达到了80W/(k.m)以上，解决了高导热氮化硅陶瓷基板的配方问题。

例如3：自主研发氮化硅陶瓷基板专用装备最重要的是气压烧结炉，由于是盲跑，国内烧结炉生产厂家无法提供填炉、烧结工艺的支持，从原材料的甄选，备品备件等，所有的环节都需要自主研发。高导热氮化硅陶瓷基板的平整度指标，是影响良品率的重要因素，受烧结设备、烧结工艺参数和装钵工艺等综合因素的影响，在整炉基板平整度合格率方面威海圆环就经历了无数次的失败，基板的合格率总是达不到理想的水平。最终威海圆环发现是由于烧结位置的不同，基板气压烧结炉内温度场的不均匀等，是造成基板平整度合格率低的重要原因。于是威海圆环聘请专业窑炉设计人员参与对气压烧结炉进行针对性的热场优化和控制优化设计，成功制造出高导热氮化硅陶瓷基板专用的气氛气压烧结炉。正所谓“工欲善其事，必先利其器”，新型的专用窑炉作为“母机”使高导热氮化硅陶瓷基板的烧结过程变得稳定而可控，又完成了一次基础专业设备的自主设计制造的跨越。

诸如此类的生产技术难题，威海圆环先进陶瓷股份有限公司在研制高导热氮化硅陶瓷基板过程中，始终坚持抓生产细节，抓核心技术难点，发现和解决各类生产的难题近百个，历时七年之久，威海圆环生产的0.32mmX139.7mmX190.5mm行业标准规格的高导热氮化硅陶瓷基板已经达到量产的水平，终于解决了西方先进国家在高导热氮化硅陶瓷基板的技术保护和应用产品对我国“卡脖子”难题。

▲威海圆环生产高导热氮化硅陶瓷基板各项理化指标达到了国际上行业标准

威海圆环生产的氮化硅陶瓷基板具有优异的导热性、高机械强度、低膨胀系数等众多优良性能。威海圆环氮化硅陶瓷基板热导率高达85W/（m.k），热膨胀系数约为3.0x10-6℃，与SiC碳化硅材料具有良好的匹配性。威海圆环氮化硅陶瓷基板远高于300A的电流承载能力轻松应对高压击穿，能在800V甚至1000V的电压平台下正常工作；威海圆环氮化硅陶瓷基板三点弯曲强度达600Mpa，超高断裂韧性能有效减少因钎焊界面不致密而出现较多空洞而诱发的裂纹，威海圆环生产的氮化硅陶瓷基板将成为国产SiC碳化硅汽车电子功率器件模块封装完美之选。

随着国产新能源电动汽车爆发式发展，威海圆环生产的氮化硅陶瓷基板通过升级SiC碳化硅功率模块性能，将为提升国产新能源汽车加速度、续航里程、轻量化、充电速度、电池成本等各项性能优势做出贡献，威海圆环助力中国新能源汽车开启性能狂飙模式。

威海圆环先进陶瓷股份有限公司是专业从事Si₃N₄高热导率氮化硅陶瓷基板、氮化硅微珠、氮化硅陶瓷球、氮化硅陶瓷磨介环、氮化硅陶瓷磨介球、可重复利用的高热导氮化硅陶瓷坩埚、氮化硅陶瓷结构件等系列氮化硅精密陶瓷材料的生产企业。高导热氮化硅陶瓷基板可以按用户特殊要求定制。关于高热导率氮化硅陶瓷基板的性能、规格、技术参数等问题——威海圆环 颜辉l86O64ll446随时欢迎各位同行、各位同仁交流探讨！氮化硅基板邂逅碳化硅功率模块，国产新能源汽车性能狂飙。

▲威海圆环行业标准规格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高导热氮化硅陶瓷基板

威海圆环多年来与海内外先进陶瓷材料技术领军人物建立了深厚的技术合作关系，在国内精密陶瓷材料领域具有一定权威和建树的高等院校和科研机构建立了校企研发合作关系，拥有了一批多年从事研制、开发的中高级技术人员和管理人员，使我们具有精湛的技术、严谨的治学态度、高度的敬业精神、高效的管理水平。威海圆环公司研发及生产测试团队具有丰富的行业经验，核心工程师拥有十余年的精密陶瓷技术积累和强大的应用开发能力。威海圆环始终致力于高性能及高可靠性氮化硅陶瓷设计开发和生产销售，打造高热导率氮化硅陶瓷基板生产领军品牌，持续通过技术创新为客户及时提供高性价比的氮化硅陶瓷材料产品和服务。

氮化硅基板邂逅碳化硅功率模块，国产新能源汽车性能狂飙（颜辉）

审核编辑 黄宇