中國(guó)高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板突破“卡脖子”難題——威海圓環(huán)氮化硅陶瓷系列高新技術(shù)產(chǎn)品從研發(fā)到量產(chǎn)的創(chuàng)新之路

基板向前路七載畫圓環(huán)

地處威海臨港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的威海圓環(huán)先進(jìn)陶瓷股份有限公司歷時(shí)七年，在研制高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板過程中，抓住細(xì)節(jié)，把握核心，不斷發(fā)現(xiàn)和解決各類生產(chǎn)的難題，先后研制出了高絕緣氮化硅陶瓷基板，導(dǎo)電氮化硅陶瓷基板和高韌性氮化硅陶瓷基板，生產(chǎn)出了不同用途的系列產(chǎn)品。

▲威海圓環(huán)生產(chǎn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板

眾所周知，目前世界已經(jīng)進(jìn)入第三代半導(dǎo)體發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板在美國(guó)和日本等西方先進(jìn)國(guó)家都有成熟的產(chǎn)品。但是，作為智能信息時(shí)代大功率第三代半導(dǎo)體器件的重要的配套材料-高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板，美國(guó)和日本等西方國(guó)家對(duì)我國(guó)不但實(shí)施產(chǎn)品封鎖、技術(shù)封鎖，還用《瓦格納協(xié)議》封鎖，美國(guó)政府用《半導(dǎo)體法案》對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖。在這種艱難的條件之下，2015年9月，威海圓環(huán)先進(jìn)陶瓷股份有限公司開啟了高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板技術(shù)研發(fā)自主創(chuàng)新之路，開始謀畫中國(guó)氮化硅陶瓷基板之圓。

迭代產(chǎn)品優(yōu)潛力無限好

目前應(yīng)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(dǎo)熱性差，驟冷驟熱循環(huán)次數(shù)僅僅200余次，跟不上大功率半導(dǎo)體的發(fā)展，但其制造工藝成熟且成本低廉，在中低端領(lǐng)域仍有較大的市場(chǎng)需求。

氮化鋁陶瓷基板的導(dǎo)熱性最好，且與半導(dǎo)體材料有很好的匹配性，可用于高端行業(yè)，但是氮化鋁陶瓷基板機(jī)械性能和抗熱震性能差，影響半導(dǎo)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(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，同時(shí)BN陶瓷的熱導(dǎo)率與常溫不銹鋼相當(dāng)，介電性能好。BN比大多數(shù)陶瓷脆性好，熱膨脹系數(shù)小，抗熱震性強(qiáng)，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(chǎn)高導(dǎo)熱陶瓷材料。熱膨脹系數(shù)與硅的不匹配也限制了它的應(yīng)用。

氧化鈹陶瓷基板導(dǎo)熱性好，在高溫、高頻下，介電性能好，耐熱性好，化學(xué)穩(wěn)定性好耐熱沖擊性好。但是氧化鈹致命的缺點(diǎn)是其粉末的極端毒性，長(zhǎng)期吸入氧化鈹粉塵會(huì)引起中毒甚至危及生命，還會(huì)造成環(huán)境污染，極大地影響氧化鈹陶瓷基板的生產(chǎn)和應(yīng)用。另外，氧化鈹生產(chǎn)成本高，限制了其生產(chǎn)和應(yīng)用。

而圓環(huán)生產(chǎn)的氮化硅陶瓷基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)，氮化硅抗氧化性好、熱腐蝕性能好、摩擦系數(shù)小等許多優(yōu)良性能。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(qiáng)度高導(dǎo)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(yōu)良的力學(xué)性能和良好的高導(dǎo)熱潛質(zhì)可以彌補(bǔ)現(xiàn)有其他陶瓷基板材料的不足，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，隨著應(yīng)用市場(chǎng)不斷擴(kuò)大生產(chǎn)成本不斷降低，高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板將是電路陶瓷基板理想的迭代產(chǎn)品。因此，氮化硅陶瓷基板在智能信息時(shí)代大功率第三代半導(dǎo)體器件的配套材料具有無限潛力。

▲威海圓環(huán)生產(chǎn)高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板各項(xiàng)理化指標(biāo)到了國(guó)際上行業(yè)領(lǐng)軍的質(zhì)量水平

已經(jīng)量產(chǎn)高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的企業(yè)來看，除了絕緣性能外，高熱導(dǎo)率和良好的彎曲強(qiáng)度是考核基板質(zhì)量的重要指標(biāo)。

抓細(xì)節(jié)魔鬼扼生產(chǎn)關(guān)鍵

介紹一個(gè)威海圓環(huán)在混料生產(chǎn)工藝中可以公開的細(xì)節(jié)問題的解決案例。某次威海圓環(huán)內(nèi)部產(chǎn)品質(zhì)量分析會(huì)上，一位操作工人發(fā)現(xiàn)，V型混料機(jī)混料后的粉體不均勻，會(huì)造成部分產(chǎn)品的性能指標(biāo)不合格。威海圓環(huán)的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)這個(gè)細(xì)節(jié)問題十分重視，并要求相關(guān)部門進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)，拿出科學(xué)數(shù)據(jù)，要從根本上解決這個(gè)質(zhì)量問題的隱患。

通過對(duì)不同規(guī)格和不同形狀混料的研磨介質(zhì)材料進(jìn)行多次對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入適當(dāng)比例的氮化硅陶瓷微珠，可以有效解決V型混料機(jī)的混料不均勻的問題。就這樣，設(shè)備還是原來的設(shè)備，混料研磨介質(zhì)材料的形狀、粒徑大小和填充比例做了細(xì)微的改變，解決了生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，使得產(chǎn)品的質(zhì)量得到了可靠的保障。

為了研制生產(chǎn)高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的粉體材料配方，威海圓環(huán)采購了國(guó)內(nèi)多個(gè)廠家的氮化硅粉體進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)為了氮化硅陶瓷導(dǎo)熱率這一個(gè)參數(shù)，威海圓環(huán)幾乎買遍了國(guó)內(nèi)的所有稀元素品種，就這樣“日復(fù)一日，年復(fù)一年”，做實(shí)驗(yàn)樣品—燒結(jié)—測(cè)試，這樣的過程進(jìn)行了上千次的重復(fù)，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的努力，威海圓環(huán)氮化硅試塊的導(dǎo)熱率穩(wěn)定的達(dá)到了80W/(k.m)以上，解決了高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的配方問題。

自主研發(fā)氮化硅陶瓷基板專用裝備最重要的是氣壓燒結(jié)爐，由于是盲跑，國(guó)內(nèi)燒結(jié)爐生產(chǎn)廠家無法提供填爐、燒結(jié)工藝的支持，從原材料的甄選，備品備件等，所有的環(huán)節(jié)都需要自主研發(fā)。高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的平整度指標(biāo)，是影響良品率的重要因素，受燒結(jié)設(shè)備、燒結(jié)工藝參數(shù)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(huán)就經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗，基板的合格率總是達(dá)不到理想的水平。最終威海圓環(huán)發(fā)現(xiàn)是由于燒結(jié)位置的不同，基板氣壓燒結(jié)爐內(nèi)溫度場(chǎng)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(huán)與投資人一起，聘請(qǐng)專業(yè)窯爐設(shè)計(jì)人員參與對(duì)氣壓燒結(jié)爐進(jìn)行針對(duì)性的熱場(chǎng)優(yōu)化和控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功制造出高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板專用的氣氛氣壓燒結(jié)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(jī)”使高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的燒結(jié)過程變得穩(wěn)定而可控，又完成了一次基礎(chǔ)專業(yè)設(shè)備的自主設(shè)計(jì)制造的跨越。

艱難創(chuàng)新路盼勇者先行

由于氮化硅陶瓷基板具有的優(yōu)良性能，研制高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板技術(shù)難度大，生產(chǎn)成本高，市場(chǎng)小，國(guó)內(nèi)科研院所研究氮化硅陶瓷基板科技人員極少，引進(jìn)專業(yè)人才都是一個(gè)難以解決的問題。這也是很多陶瓷新材料企業(yè)對(duì)于高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板技術(shù)研發(fā)的自主創(chuàng)新之路觀望，不敢下定決心加大投入的原因。

圓環(huán)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)自從決心攻克這個(gè)世界難題，埋頭苦干，用7年的時(shí)間克服研發(fā)資金短缺的難題，從研發(fā)到量產(chǎn)，一路攻克氮化硅粉體研磨、配方、制漿和流延，脫脂與燒結(jié)等所遇到的種種工藝難題和技術(shù)困難。如今七個(gè)春秋已過，威海圓環(huán)先進(jìn)陶瓷股份有限公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)畫出了完整的圓環(huán)，威海圓環(huán)生產(chǎn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板已經(jīng)達(dá)到量產(chǎn)的水平，突破了西方先進(jìn)國(guó)家在高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的技術(shù)保護(hù)和應(yīng)用產(chǎn)品對(duì)我國(guó)“卡脖子”難題。還參照國(guó)際相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)制定了威海圓環(huán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保證了高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板各項(xiàng)理化指標(biāo)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品穩(wěn)定、批量、規(guī)?；纳a(chǎn)，并達(dá)到了國(guó)際上行業(yè)領(lǐng)軍的質(zhì)量水平。

擁核心技術(shù)，創(chuàng)行業(yè)先鋒。

7年的艱難探索，威海圓環(huán)突破氮化硅系列產(chǎn)品“卡脖子”核心技術(shù)，成功開發(fā)出了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝和設(shè)備平臺(tái)，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)軍水平，真正成為了全球行業(yè)的“領(lǐng)跑者”。

七年中，威海圓環(huán)培養(yǎng)出了自己的科研和生產(chǎn)團(tuán)隊(duì);

七年中，威海圓環(huán)成功研制氮化硅基板專用氣壓燒結(jié)爐等專業(yè)設(shè)備;

七年中，威海圓環(huán)還生產(chǎn)了氮化硅微珠，氮化硅晶須，氮化硅醫(yī)用刀片、精磨氮化硅軸承球等一系列氮化硅產(chǎn)品;

七年中，威海圓環(huán)還給國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)用戶量身定制了各種異形氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件。

隨著5G、AI、物聯(lián)網(wǎng)、高鐵、自動(dòng)駕駛等智能化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，從發(fā)電端、輸變電端到用電端，作為智能信息時(shí)代大功率第三代半導(dǎo)體器件的重要的配套材料，高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板市場(chǎng)需求有望出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。把握住高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的研發(fā)技術(shù)，自然就等于把握住了智能化產(chǎn)業(yè)中的重要命門。在日漸緊張的國(guó)際形勢(shì)下，掌握核心技術(shù)，突破“卡脖子”難題，不受制于人，以技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)，勇當(dāng)行業(yè)先鋒，是中國(guó)高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板生產(chǎn)企業(yè)增強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路，也是圓環(huán)企業(yè)的發(fā)展之路。(顏輝)

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