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证实了超薄板氮化硅陶瓷基板的高绝缘耐压 - -期待新一代移动模块的小型化-

2021-11-29  Wsz6868

重点 将氮化硅陶瓷的厚度和绝缘耐压的关系验证到数10 μm的厚度 证实了超薄板氮化硅陶瓷基板的高绝缘耐压 在新一代电动汽车和太阳能发电等领域,期待着对进行电力转换和控制的功率模块的高输出化、小型化做出贡献

概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下称“产综研”)多材料研究部门陶瓷组织控制组中岛佑树研究员、福岛学研究组组长、周游主任研究员、平尾喜代司招聘研究员、日向秀树研究组等人试制了32 μm的超薄基板氮化硅绝缘散热基板,证实了该薄板的绝缘耐压处于可用于新一代电动汽车的水平。为了散热,要求高效进行电力转换和控制的功率模块基板薄板化。 但是,由于随着薄板化,绝缘耐压也降低,所以掌握薄板基板的绝缘耐压·机械强度等和查明现象是不可缺少的。 虽然通过烧结制作的氮化硅陶瓷基板作为下一代绝缘散热基板备受瞩目,但其绝缘耐压的测量事例很少。 因此,对各种厚度的超薄型氮化硅陶瓷基板的绝缘耐压进行了测量和评价,结果表明,随着薄板化,绝缘耐压降低,但50 μm以下的薄型基板的降低程度变缓,即使是32 μm的超薄型基板也能承受约2.8 kV的电压。 该数值是比新一代电动汽车所需的工作电压850 V足够高的值。 而且,与市售基板相比,基板厚度为1/10,因此散热性提高了10倍左右。 另外,该技术的详细情况将于2021年12月1日(日本时间)刊登在日本杂志上。 另外,将在2021年11月26日~2022年2月28日在线召开的nano tech 2022国际纳米技术综合展技术会议上进行介绍。

概要図

             绝缘散热基板的概略图和绝缘破坏

开发的社会背景 在电动汽车和电气化铁路的电机驱动控制、太阳能发电等可再生能源相关领域,高效进行电力转换和控制的功率模块预计今后将迅速普及。 为了功率模块的小型化和高输出化,考虑基板材料的热、机械、电气特性,选择适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热性、耐热性、机械强度、绝缘耐压、成本如表1所示。 树脂基板由于价格便宜,所以用于电量小的家电等,但是热传导率低,散热性差,另外,耐热性也低,所以不能用于大功率模块。 因此,具有高散热性和耐热性的氧化铝陶瓷( Al2O3)、氮化铝陶瓷( AlN )、氮化硅陶瓷( Si3N4)等陶瓷基板用于处理大功率的混合动力车和电动汽车的功率模块用绝缘基板。 现在,随着功率模块的输出密度进一步增大,为了提高散热性,要求薄板化。 作为高热传导陶瓷基板被广泛使用的氮化铝陶瓷由于具有低强度·低破坏韧性,因此很难薄板化后使用。 另一方面,氮化硅陶瓷同时具有高强度和断裂韧性,因此期待基板薄板化,需要把握板厚和绝缘耐压的关系。
表1

研究的经过 如上所述的社会背景,作为功率模块用陶瓷基板,对高热传导率、高破坏韧性的氮化硅受到了关注。 产业综合研究所一直在进行氮化硅陶瓷的高热传导率化、陶瓷基板的绝缘耐压测量、进行金属化基板的温度循环试验等的可靠性评价等新一代功率模块用陶瓷基板的研究开发。 一般的氮化硅陶瓷基板的热传导率约为90 W/(m ),而2011年产总研开发了破坏韧性为3倍以上、热传导率为177 W/(m )的世界最高的氮化硅陶瓷( 2011年9月) 产业综合研究所目前也在整体开发提高高热导率氮化硅陶瓷的机械特性、薄板基板制造工艺以及评价技术的技术。 与此同时,由于担心随着这种氮化硅陶瓷的薄板化,绝缘耐压会降低,因此对于氮化硅陶瓷的厚度依赖性的研究也进行了系统的研究。 另外,关于廉价的氧化铝陶瓷基板( 30 W/(m )左右)、热传导率优异的氮化铝陶瓷基板( 180 W/(m )左右)的绝缘耐压的厚度的影响的相关研究正在进行,几乎没有关于氮化硅陶瓷的报告实例。

研究的内容 显示了这次评价的氮化硅陶瓷的组织(图1-a )、薄板化的试样的外观(图1-b、板厚32 μm )、透光性的形象照片(图1-c )。 由组织像测量的基板具有在微细粒子中分散有大柱状粒子的复合组织。 由于柱状粒子发达的独特组织,本材料具有高断裂韧性,与低断裂韧性的传统材料氮化铝陶瓷和氧化铝陶瓷不同,可以加工成极薄板,也可以变形。 并且,本氮化硅陶瓷不含气孔,密度高,因此随着薄板化也表现出透光性。 这种变形特性和透光性在现行厚度( 320 μm~1 mm )的绝缘散热基板中得不到,作为新的附加价值也备受关注。

図1

図1 超薄型基板(32μm)の(a)組織像、(b)外観、(c)透光性のイメージ写真

接着,如图2所示,氮化硅陶瓷基板从285 μm到32 μm,随着其厚度的减少,绝缘耐压降低,但即使是32 μm的超薄型,也具有2.8 kV的高绝缘耐压。 另外,该数值是远远高于新一代电动汽车的工作电压850 V的值。 目前市场上销售的氮化硅陶瓷基板即使薄也只有300 μm左右,散热性与厚度成反比,例如厚度变为十分之一时,散热性将提高10倍左右,因此超薄基板有望实现更高输出、小型的功率模块。

図2

图2氮化硅陶瓷基板对基板厚度的绝缘耐压

今后的计划 今后,通过系统评价调整了微细结构的氮化硅陶瓷基板的绝缘耐压的厚度依赖性和微细缺陷的影响,阐明了以往未明确的陶瓷基板的绝缘破坏机制,通过进行考虑了破坏机制的材料设计,在开发具有更高绝缘耐压的薄板基板的同时,伴随着其电可靠性评价技术的高度化,以推广到下一代移动用模块基板材料等为目标。

用语说明 ◆绝缘耐压 本来,在不通电的绝缘材料上施加一定以上的电场时,大电流流动的现象称为绝缘破坏。 产生绝缘破坏的电压称为绝缘耐压(绝缘破坏电压)。 
 ◆功率模块 使用半导体设备进行电力转换(直流/交流、交流/直流、频率、电压等的转换)的模块。 最近,作为以电动汽车( EV )、混合动力汽车( HV )为代表的各种电机驱动用模块的重要性日益增加。 
 ◆氮化硅陶瓷 烧结氮化硅( Si3N4)粉末得到的陶瓷材料。 断裂韧性高,耐热冲击性好。 
 ◆氮化铝陶瓷 烧结氮化铝( AlN )粉末得到的陶瓷材料。 绝缘性高,热传导率高,因此作为绝缘散热基板使用。 
 ◆破坏韧性 当力学能量施加到具有裂纹缺陷的材料上时,材料抵抗破坏的力。 断裂韧性越高,对断裂越有韧性,越难断裂。 
 ◆金属化 是为了形成电路而在陶瓷绝缘基板表面形成铜或铝的导体金属层的技术。 

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具有极高热导率的氮化硅陶瓷 - -期待在功率器件用电路基板上的推广-
重点 通过机械特性优异的氮化硅陶瓷实现177 W/(m·K )的高导热率 表现出韧性的破坏韧性是氮化铝陶瓷的3倍以上 具有柱状粒子交织的结构,强度比氮化铝高
概要 独立行政法人产业技术综合研究所【理事长野间口有】(以下称“产综研”)先进制造工艺研究部门【研究部门长村山宣光】工程陶瓷研究班平尾喜代司研究班长、周游主任研究员等为电化学工业株式会社【代表董事社长吉高绅介】(以下称, 称为“电化学工业”)和日本精细陶瓷株式会社【代表董事社长若林俊克】(以下称为“日本精细陶瓷”)共同合作,与以往产品相比大幅提高了氮化硅( Si3N4)陶瓷的热传导率,从而功率模块用的电路基板为了散热需要高热传导率。 氮化硅具有高强度、高韧性,但现有的制造技术极难制造出同时具有高热导率和优异机械特性的氮化硅材料。 这次,通过使用在1400 ℃附近使硅粉末的成形体氮化后,在高温下进行致密化的所谓“反应烧结后烧结方法”,制作177 W/(m·K )这一世界上热传导率最高的氮化硅陶瓷 作为功率模块用散热基板通用的氮化铝陶瓷的热传导率约为170~230W/(m·K ),在该范围内可以提高氮化硅烧结体的热传导率。 另外,材料的强度比氮化铝高,显示出韧性的破坏韧性是氮化铝的3倍以上。 柱状粒子具有交织的结构有助于优良的机械特性。 另外,该研究内容的详细内容将在《高级材料》杂志上在线发表。
開発した高熱伝導率窒化ケイ素の破断面の電子顕微鏡の写真

研制的高热传导率氮化硅断裂面的电镜照片

开发的社会背景 近年来,由于功率电子学的进步,高效地进行电力变换和控制的功率器件迅速普及。 作为高输出的器件被活用于工业机器人、电车等运输设备的电机控制。 而且,汽车动力混合化、电动马达化的趋势急速发展,高输出功率模块的市场正在迅速扩大。 功率模块进行数十到数百千瓦的大功率转换控制,因此对其电路基板要求高绝缘性、散热性、耐热性。 氮化铝( AlN )基板具有约200 W/(m·K )的高热导率,一直被用于车载逆变器等输出密度高的功率模块的电路基板。 但是,功率模块的输出密度逐年增高,另外,在搭载于汽车等的情况下,由于暴露于较大的温度变化,并且接合部分产生高应力,因此对电路基板除了高热导率之外还强烈要求优异的机械特性。 图1表示目前市售的氧化铝基板、氮化铝基板、氮化硅基板的强度和热导率(图1-a )以及断裂韧性和热导率(图1-b )的关系。 氮化铝基板虽然具有高导热率,但与氮化硅相比,机械特性(强度和破坏韧性)较低。 另一方面,氮化硅虽然具有优异的机械特性,但热传导率小于氮化铝的一半。 但是,氮化硅的理论热传导率被预测为超过200 W/(m·K ),作为兼具优异机械特性和高热传导率的下一代电路基板材料,氮化硅陶瓷的热传导率被强烈要求提高。

市販のセラミック放熱基板及び開発窒化ケイ素の特性比較の図图1市售陶瓷散热基板及开发氮化硅的特性比较
研究的经过 产总研对氮化硅陶瓷的制造工艺、微结构、热导率的关系进行了多年的基础性研究。 2001年,将氮化硅镁( MgSiN2)作为氮化硅的烧结助剂,成功制作出热传导率约为150 W/(m·K )的烧结体( 2001年7月9日产总研新闻发布会)。 但是,虽然通过添加氮化硅镁实现了高热传导,但在150 W/(m·K )的高热传导氮化硅烧结体中,在烧结过程中生长出极其粗大的粒子,存在强度和破坏韧性大幅降低的问题。 从2009年开始,以产综研的基础知识为基础,与综合原材料制造商、拥有非氧化物陶瓷高技术的电化学工业以及陶瓷基板和产业机械用陶瓷部件等的制造、销售的日本精细陶瓷共同推进了兼具优良机械特性和高热传导率的氮化硅陶瓷的研究开发。
研究的内容 在绝缘体陶瓷中,热通过晶体晶格的振动(称为声子)来传递。 因此,如果晶体中存在晶格缺陷(空穴、异种元素的置换等),则声子散射,热传导率明显降低。 如金刚石(理论热传导率: 2000 W/( m·K ) )和氮化铝(理论热传导率: 320 W/(m·K ) )那样,原子间的结合强,由轻的元素构成,对称性高的结晶容易传递声子,性能高 同样,预计纯氮化硅晶体的热传导率将超过200 W/(m·K )。 氮化硅作为自身难以烧结的难烧结材料而闻名。 现有的制造技术以氮化硅粉末为原料,作为烧结助剂主要添加氧化钇( Y2O3 )等稀土类氧化物,在高温下烧结制成柱状粒子发达的致密陶瓷。 但是,市售的高纯度氮化硅粉末中,由于粒子表面的氧化,作为杂质含有约1重量%左右的氧。 该杂质氧在烧结过程中也移动、固溶到氮化硅晶体内部,成为声子散射的主要原因,阻碍了热传导,所以热传导率不会变高。 如果降低起始原料中的氧量,则可以将氮化硅粒子内部的固溶氧量抑制得较低,但杂质氧是由氮化硅粒子的表面氧化引起的,烧结性优异的微粉末难以降低杂质氧量。 为了克服该问题,在这次的开发中,着眼于在1400℃附近使含有以稀土氧化物为主体的烧结助剂的高纯度硅粉末的成形体氮化后,在高温、高压的氮气中进行致密化的“反应烧结后烧结方法”,阻碍热传导的粒子内部的杂质和晶界 在该方法中,1 )可以使用杂质氧少硅粉末作为原料粉末,2 )硅粉末成型体在尺寸没有变化的情况下进行氮化,因此在反应烧结后得到比较高的相对密度(约80% )的氮化物,容易通过之后的后烧结进行致密化 3 )由于可以在一连串的工序中不接触空气地进行硅粉末与氮的反应转化为氮化硅,可以认为,这具有抑制研究内容粉末的氧化,从而大幅降低最终得到的烧结体氮化硅粒子内部的杂氧量的优点。  优化氮化反应和后烧结等工艺因素,使阻碍热传导的粒子内部杂质和晶界相的量最小化,结果成功制备出了177 W/(m·K )高热导率的氮化硅陶瓷。 能够制作出可进行机械特性评价的约40×40×5 mm左右大小的烧结体,对烧结体进行了强度和破坏韧性的评价。 如图1的红色圆圈所示,此次开发的材料除了高热导率之外,还具有超过氮化铝的强度( 3点弯曲强度:约550 MPa ),断裂韧性( 11 MPam1/2 )为氮化铝(3 MPam1/2左右)的3倍 在图2中显示开发的材料断裂面的扫描电子显微镜照片( SEM照片)。 具有发达成柱状的氮化硅粒子交织在一起的微细结构,这带来了很高的破坏韧性。 另外,柱状粒子的大小比较一致,看不到极端粗大的粒子。 控制了柱状粒子的生长,以及高断裂韧性,有助于维持本材料的适当强度。

開発した高熱伝導率窒化ケイ素の破断面の電子顕微鏡の写真

图2开发的高热传导率氮化硅断裂面的电镜照片

今后的计划 今后,将根据此次开发的工艺,确立兼具高热传导率和优良机械特性的氮化硅电路基板的制造工艺,谋求作为功率模块用等要求基于散热性和优良机械特性的可靠性的基板材料的实用化。

用语说明◆氮化硅陶瓷 通过烧结方法将氮化硅粉末致密地烧结而成的烧结体被称为氮化硅陶瓷。 氮化硅非常难烧结,添加百分之几到十左右的氧化物作为烧结助剂,通过高温下生成的熔体进行致密化。 耐热冲击性、耐腐蚀性优异,是具有高强度、破坏韧性的代表性结构用陶瓷。 另一方面,近年来,如本文所解说的那样,发展高热传导率,期待着作为兼具高热传导率、绝缘性、优良机械特性的陶瓷散热基板的展开。 返回参照源 ◆热传导率 表示物质中热传递难易度的物理量。 具体而言,是单位时间内通过单位面积的热能除以温度梯度的值,具有W/(m·K )的单位。 返回参照源 ◆强度 对材料施加力时,材料在断裂之前能够承受的力。 通过对材料施加力的方法,测定拉伸强度、弯曲强度、压缩强度等。 返回参照源 ◆功率器件、功率模块 用半导体元件进行大功率控制(整流、直流交流转换、频率转换、电流电压控制等)的器件一般称为功率器件,是整流二极管、功率晶体管(功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管( IGBT ) )等 嵌入了控制电力的功率MOSFET和IGBT等功率器件的驱动电路和自我保护功能的是功率模块。 返回参照源 ◆硅粉末成型体、氮化反应 如果将硅粉末成型体在硅的熔点( 1410℃)以下加热,则成型体的外形不会发生变化,可以转换成由氮化硅粒子构成的成型体。 此时,各个硅粒子的体积通过氮化反应增大约22%,另外试样的外形尺寸不变化,结果,得到了密度比最初的成型体高的氮化物。 如果预先在硅粉末中添加氮化硅烧结用的烧结助剂,则在氮化后,通过提高温度进行烧结(称为后烧结),可以通过一系列的工艺进行硅的氮化反应和之后的氮化体的烧结。 返回参照源 ◆氮化铝陶瓷 通过烧结方法将氮化铝粉末致密地烧结而成的烧结体被称为氮化铝陶瓷。 由于与氮化硅同样具有难烧结性,因此添加稀土类氧化物等作为烧结助剂,制作出致密的烧结体。 在陶瓷中热传导率极高,且具有优异的电绝缘性,因此被用作散热基板和散热部件。 返回参照源 ◆破坏韧性 表示材料弹性强度的指标。 向材料中引入键裂时,对键裂发展的阻力就是断裂韧性。 一般用MPam1/2的单位表示。 断裂韧性高的材料即使有一些裂纹也能保持强度,而断裂韧性低的材料即使存在小裂纹,强度也会显着降低。 返回参照源 ◆烧结助剂 氮化硅共价键性强,物质扩散极慢,因此即使原料很微细,直接将成型体加热到高温也不能使其致密化。 因此,微量添加在高温下生成熔体的氧化物,通过生成的熔体进行致密化。 为此添加的微量成分称为烧结助剂。 另外,氮化硅粒子的表面被极薄的氧化层(二氧化硅层)复盖,在代表性的烧结用原料粉末中,其杂质二氧化硅量为2%左右。 这种杂质二氧化硅和添加的烧结助剂反应生成二氧化硅系的液相,促进致密化。 返回参照源 ◆烧结(烧结体) 烧结是指,将处于接触状态的粒子保持在熔点以下的温度时,粒子向减少粒子系统整体的表面能的方向进行合并,成形体的气孔被排除到外部,成为没有气孔的致密的多晶体陶瓷的现象。 许多陶瓷利用烧结现象使由微细粉末构成的成型体凝固。 通过烧结制造的致密体被称为“烧结体”。 另外,为了促进烧结时的致密化,或者控制烧结体的组织,经常在主原料中添加烧结助剂。 返回参照源 ◆3点弯曲强度 在棱柱状试验片的下面放置两处支点,从位于两点之间中心的上面的负荷点施加负荷,材料断裂时测量的最大弯曲应力。 由单位面积的力定义,一般用MPa(= N/mm2 )的单位表示。 返回参照源

用语说明 ◆氮化硅陶瓷 通过烧结方法将氮化硅粉末致密地烧结而成的烧结体被称为氮化硅陶瓷。 氮化硅非常难烧结,添加百分之几到十左右的氧化物作为烧结助剂,通过高温下生成的熔体进行致密化。 耐热冲击性、耐腐蚀性优异,是具有高强度、破坏韧性的代表性结构用陶瓷。 另一方面,近年来,如本文所解说的那样,发展高热传导率,期待着作为兼具高热传导率、绝缘性、优良机械特性的陶瓷散热基板的展开。 返回参照源 ◆热传导率 表示物质中热传递难易度的物理量。 具体而言,是单位时间内通过单位面积的热能除以温度梯度的值,具有W/(m·K )的单位。 返回参照源 ◆强度 对材料施加力时,材料在断裂之前能够承受的力。 通过对材料施加力的方法,测定拉伸强度、弯曲强度、压缩强度等。 返回参照源 ◆功率器件、功率模块 用半导体元件进行大功率控制(整流、直流交流转换、频率转换、电流电压控制等)的器件一般称为功率器件,是整流二极管、功率晶体管(功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管( IGBT ) )等 嵌入了控制电力的功率MOSFET和IGBT等功率器件的驱动电路和自我保护功能的是功率模块。 返回参照源 ◆硅粉末成型体、氮化反应 如果将硅粉末成型体在硅的熔点( 1410℃)以下加热,则成型体的外形不会发生变化,可以转换成由氮化硅粒子构成的成型体。 此时,各个硅粒子的体积通过氮化反应增大约22%,另外试样的外形尺寸不变化,结果,得到了密度比最初的成型体高的氮化物。 如果预先在硅粉末中添加氮化硅烧结用的烧结助剂,则在氮化后,通过提高温度进行烧结(称为后烧结),可以通过一系列的工艺进行硅的氮化反应和之后的氮化体的烧结。 返回参照源 ◆氮化铝陶瓷 通过烧结方法将氮化铝粉末致密地烧结而成的烧结体被称为氮化铝陶瓷。 由于与氮化硅同样具有难烧结性,因此添加稀土类氧化物等作为烧结助剂,制作出致密的烧结体。 在陶瓷中热传导率极高,且具有优异的电绝缘性,因此被用作散热基板和散热部件。 返回参照源 ◆破坏韧性 表示材料弹性强度的指标。 向材料中引入键裂时,对键裂发展的阻力就是断裂韧性。 一般用MPam1/2的单位表示。 断裂韧性高的材料即使有一些裂纹也能保持强度,而断裂韧性低的材料即使存在小裂纹,强度也会显着降低。 返回参照源 ◆烧结助剂 氮化硅共价键性强,物质扩散极慢,因此即使原料很微细,直接将成型体加热到高温也不能使其致密化。 因此,微量添加在高温下生成熔体的氧化物,通过生成的熔体进行致密化。 为此添加的微量成分称为烧结助剂。 另外,氮化硅粒子的表面被极薄的氧化层(二氧化硅层)复盖,在代表性的烧结用原料粉末中,其杂质二氧化硅量为2%左右。 这种杂质二氧化硅和添加的烧结助剂反应生成二氧化硅系的液相,促进致密化。 返回参照源 ◆烧结(烧结体) 烧结是指,将处于接触状态的粒子保持在熔点以下的温度时,粒子向减少粒子系统整体的表面能的方向进行合并,成形体的气孔被排除到外部,成为没有气孔的致密的多晶体陶瓷的现象。 许多陶瓷利用烧结现象使由微细粉末构成的成型体凝固。 通过烧结制造的致密体被称为“烧结体”。 另外,为了促进烧结时的致密化,或者控制烧结体的组织,经常在主原料中添加烧结助剂。 返回参照源 ◆3点弯曲强度 在棱柱状试验片的下面放置两处支点,从位于两点之间中心的上面的负荷点施加负荷,材料断裂时测量的最大弯曲应力。 由单位面积的力定义,一般用MPa(= N/mm2 )的单位表示。 返回参照源

今后的计划 今后,将根据此次开发的工艺,确立兼具高热传导率和优良机械特性的氮化硅电路基板的制造工艺,谋求作为功率模块用等要求基于散热性和优良机械特性的可靠性的基板材料的实用化。

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