氮化硅陶瓷基板是什么？
从元素组成的角度来讲，是由硅和氮元素合成的氮化硅粉体添加少量氧化物和稀土烧结而成的氮化硅陶瓷片。
从基板应用的角度来讲，是电力电子器件构成的关键材料之一，主要负责绝缘和散热两项主要工作。
从项目难度的认知来看，目前只有美日两国进入了工业化生产阶段，不但价格高，还不卖给我们。因为这是一个军民两用产品。
从“新基建”的方向来看，5G基站、轨道交通、新能源汽车、风电、太阳能逆变等，可以说大功率电源设备几乎都需要。
具有中学化学知识的人都知道：氮元素和硅元素在地球上具有极大的存储量，而由这两种元素组成的材料，就是氮化硅，Si3N4。
由氮化硅为主材，制造的现代功能陶瓷，更是具有极其广泛的应用。这里，我们只是从对电路基板的认知，来谈一下氮化硅特种陶瓷。
电路基板：过去的认知是将分离元器件进行电路组合或集成电路与分立元器件电路组合形成达到整体电路功能要求的平板材料，电路基板由绝缘和导电两种功能材料而成。单面印刷电路板就是电路基板最初形式。
功率陶瓷电路基板：可以将未封装的功率器件直接安装在功率陶瓷电路基板之上，再进行封装。目的是降低功率器件的热阻，直接效果是降低功率器件工作温度，增大功率和可靠性。作为信息、交通、航空航天、工业自动化领域发展的基础工业之一就是电力电子技术，电力电子技术就是使用电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子器件的发展方向是：小尺寸、高密度、大电流、大功率、低功耗，是电控和功率转换的核心器件。广泛应用于电动汽车、轨道交通、光伏逆变、风力发电、智能电网、大型工业电气变频和伺服控制，在航空航天和军工电子技术方面也有着广泛的应用。氮化硅陶瓷电路基板就是制造电力电子器件的关键材料之一。
我们业内人士都知道，近一年来，中国的集成电路产业有了长足的进步，这个成绩的取得，来之不易。在逆境中，中国的集成电路产业在曲折的道路上，走出了一条适合自己的发展之路、更是弥补了中国产业链的最重要的环节之一。
在整个集成电路家族中，大规模集成电路、小功率集成电路和分立器件都是这个家族的重要组成部分；当代，电子电力器件和电子电力集成电路随着工业自动化日新月异发展，第三代半导体材料的工业化开发，已经成为集成电路行业的重要组成部分，也在影响着更多行业的技术进步和发展。
例如：高铁、新能源车辆、高端机床驱动、风力发电、太阳能发电及各类自动化设备都需要电子电力集成电路进行驱动，这是一个千亿级别以上的大市场。
在这个大市场中，功率集成电路陶瓷基板，是承载半导体功率器件的关键材料。近两年，氮化镓、碳化硅等第三代半导体材料在我国得到了大力发展，要使用第三代半导体材料生产出大功率半导体器件，如果没有功率集成电路陶瓷基板，半导体器件的散热效果会大大降低、降低该器件的使用效果。由于功率集成电路陶瓷基板对于电力电子技术的发展具有不可或缺的地位，也就成为西方发达国家对我们国内进行全方位技术封锁的半导体行业关键材料之一。
其中最重要的一步就是需要成熟的大功率半导体安装用电路基板，而这个安装基板最有前途的材料就是：氮化硅陶瓷电路基板。
氮化硅陶瓷电路基板的特点：
第一大特点就是原材料非常丰富，但是入门的门槛很高。
在地壳中，硅是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%。
自然界绝大部分的氮是以单质分子氮气的形式存在于大气中，氮气占空气体积的78%。
第二大特点是具有非常好的理化性能、电气性能和机械性能；
性能
高导热氮化硅陶瓷Si3N4
氮化铝陶瓷ALN
氧化铝陶瓷AL2O3
抗弯强度
650~900MPa
320~500MPa
250~400MPa
断裂韧性
6.5~7MPa•m1/2
3~5MPa•m1/2
3.8~4.5MPa•m1/2
电流载荷
大
中
小
可靠性
5000次循环
200次循环
300次循环
制造技术
最难
难
较容易（中低端）
成本
高
高
低
第三大特点就是具有高导热系数，高电流载荷，比较容易满足第三代功率半导体器件的散热需求：
性能
高导热氮化硅陶瓷Si3N4
氮化铝陶瓷ALN
氧化铝陶瓷AL2O3
导热率
90W/m•K
100~210W/m•K
22~35W/m•K
热阻
0.201K/W(0.63mm)
0.197K/W(0.63mm)
0.275K/W(0.63mm)
电流载荷
大
中
小
第四特点是热膨胀系数与大多数半导体材料匹配，因而使其器件的可靠性更优异。
温度循环次数
（-40~150℃）
导电铜电极厚度（mm）
0.2
0.3
0.4
0.5
氮化硅陶瓷基板
＞5000
＞5000
＞5000
＞5000
氮化铝陶瓷基板
300
200
氧化铝陶瓷基板
500
300
200
100
当然，氮化硅陶瓷电路基板在美、日也已经有了成熟的产品；第三代半导体器件的成套技术也已经形成产业化。
由于该材料是第三代大功率半导体器件的配套材料，不但会促进国民经济的发展，而且对于中国的国防建设也具有战略意义。因此，西方国家也限制氮化硅陶瓷基板的生产技术进入我国，也就不足为奇了。
氮化硅陶瓷基板可以从外形上讲，就是一块厚度在0.5mm左右的陶瓷板。但是其生产技术却是复杂和神秘。
氮化硅陶瓷基板的基本要求是：
1、 稳定的理化性能；
2、 可靠的机械强度；
3、 一致的电气参数；
4、 更低的传热阻力。
氮化硅陶瓷基板对材料和工艺的基本要求是：
1、 要有高质量的粉体主材和添加材料；
2、 成熟的粉体研磨、配料、成型工艺和与之适应的配方；
3、 适用气压烧结设备和相应的烧结工艺；
4、 大尺寸陶瓷基板双面精密研磨；
5、 基板表面高质量覆厚铜。
我国氮化硅陶瓷电路基板现状：
首先，我们应当明确，氮化硅陶瓷基板是一个千亿级别大功率第三代半导体器件的配套材料中是不可或缺的；氮化硅陶瓷基板是氮化硅陶瓷家族中的最重要成员之一；氮化硅陶瓷基板是属于西方国家对我国的禁运产品；氮化硅陶瓷基板要和第三代大功率半导体器件进行配套，这也是一个比较复杂的系统工程，不仅需要大规模资金的配合还要进行综合技术的整合，要有组织机构的强力协调，才能够完成这个配套的任务。
氮化硅陶瓷基板在国内从大学、科研机构到陶瓷企业，从大型国企到民营股份企业，氮化硅陶瓷基板及其配套研磨、覆铜等配套技术，都取得了可喜的研究和生产成绩。尤其是在氮化硅陶瓷基板毛板的生产制造方面，在威海圆环先进陶瓷股份有限公司等公司更是取得了突出的成绩。已经可以批量生产出了氮化硅陶瓷基板的毛板，并且整体工艺的稳定性和毛板的合格率也已经达到了工业生产的水平。
氮化硅电路基板毛板是氮化硅粉体经过研磨、配料、成型和烧结几道工艺而达到的半成品。这时，板子的平整度、硬度、机械强度、电气指标和导热指标都达到了相应的高性能指标。
氮化硅电路基板毛板还要在研磨设备上进行双面研磨，平行度和表面粗糙度是研磨的重要指标。这时仍然是半成品。
下一步的工艺就是：覆铜。
活性金属钎焊（AMB）是一种将金属通过活性金属焊接到陶瓷上的一种方法。活性金属钎焊（AMB）基板由氮化硅（Si3N4）或绝缘陶瓷组成，采用高温真空焊接工艺将纯铜焊接到陶瓷上。
对于对高可靠性、散热以及局部放电有要求的汽车、风力涡轮机、牵引系统和高压直流传动装置，活性金属钎焊基板可谓首选。氮化硅陶瓷基板可以做到0.25mm的厚度， 90W/mK以上的导热系数，厚铜层（达0.8mm）具有较高热容量以及传热性，氮化硅陶瓷基板成为了电力电子器件中不可或缺的产品。
国产氮化硅陶瓷基板目前面临的主要问题是：
1、现在是科研单位做课题，缺乏中式试验手段和资金。比如：中科院电工所。他们的北京市氮化硅基板覆铜课题已经完成，也有氮化硅基板毛毛坯板生产成熟企业愿意合作，可是，没有资金支持大家只能是“望梅止渴”。
2、现在新能源汽车企业对于国产大功率集成电路是“求贤若渴”，可是这些企业缺乏电子器件的生产经验，也不敢轻易试水这些“战略级别”的项目。
3、高铁、动车项目要求是产品要具有高可靠性能，“造”不如“买”，对于项目的风险更小，同时更不至于犯错误。
4、国内这个项目的资金还是比较充足的，但是，主要集中在国企。比较成熟的基板技术，却没有得到非常有力度的资金支持和全线技术配套资金支持。
氮化硅陶瓷基板是一个世界级的战略产品，虽然原材料非常广泛，但是，入门的门槛却是非常高，因此敢于涉入此项技术和生产的科研单位和生产企业都是具有一定全方位实力的单位。面对氮化硅陶瓷基板国内面临的局面，即氮化硅陶瓷基板毛坯板已经可以批量生产，碳化硅晶体国内也已经可以批量生产，这两项难度最大的技术已经被被攻破，急需一个“帅”级别的单位来进行统筹安排，从而加快第三代大功率器件的前进步伐。
目前，氮化硅陶瓷基板的各个工艺需求，国家和很多的企业都进行了比较大规模的投入和实验，虽然距离实用阶段还有一定的距离，但那只是时间的问题了。
我们都看得见，中国的现代工业是在西方国家的严厉打击之下，逐渐成长起来的；中国现代完整工业体系更是在中国人民的奋斗之中，逐渐形成的；同时，我们也相信，中国的陶瓷电路基板，也同样会形成自己的全套技术工艺，并生产出大批量合格的产品。
本文封面图来源于图虫创意
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