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正天新材料氮化硅衬底技术已赶上国际一流水平

随着集成电路的发展,半导体器件的集成度和功率密度显著提高。因此,相应操作产生的热量也急剧上升。据统计,高达 55% 的大功率器件故障都是由发热引起的。要解决电路的散热问题,首先必须找出电子封装系统中影响散热的部件。作为集成电路芯片的载体,基板与电路直接接触,因此电路产生的热量需要通过基板向外散发。为了更好地为电路散热,基板材料必须具有高导热性。

此外,在新能源汽车和现代轨道交通等领域,使用大功率设备时需要考虑颠簸和振动等复杂的应用条件。这就对基底材料的机械性能和可靠性提出了更高的要求。

那么,谁能承担如此重任呢?

01 氮化硅,散热基板中的 "顶级 "材料

与其他材料相比,陶瓷基底具有更优越的性能,因此选择陶瓷材料作为基底将具有更广阔的前景。

可用作基底的陶瓷材料主要包括:AlN、Al2O3、SiC、BeO、Si3N4 等:AlN、Al2O3、SiC、BeO、Si3N4 等。BeO 陶瓷基板虽然导热系数高、介电常数低,但其粉末有毒,对人体有害,目前已很少使用。SiC 性质稳定,但介电损耗大,击穿电压低,不适合高压工作环境。Al2O3 陶瓷基板的应用历史最长,也最为成熟,但由于 Al2O3 的理论和实际导热系数较低,无法满足大电路的散热要求,只能用于小电路。相比之下,AlN 陶瓷集高导热性、良好绝缘性和低介电常数于一身。然而,AlN 也有不容忽视的显著缺点,包括易水解、强度和韧性不足以及脆性。因此,迫切需要一种更稳定的陶瓷材料来弥补 AlN 的局限性。

几种基底材料的性能比较

基底材料Si3N4AINAl2O3
导热系数/W/(m-k)80-10017020-30
断裂韧性/Mpad-m1/26.0-8.02.73.0
强度/兆帕600-800350400
目前的承载能力/A≥300100-300≤100
可靠性/时间≥5000200300
费用较高

与其他材料相比,氮化硅陶瓷因其热导率高(其晶体的热导率可达 320 W-m-1-K-1)、介电常数低、无毒以及热膨胀系数与单晶硅相当而被公认为高导热陶瓷基板的首选材料。

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浙江正天新材料科技股份有限公司(以下简称 "正天新材")成立于2017年。(浙江正天新材料科技股份有限公司(以下简称 "正天新材")通过自主创新,在高性能氮化硅陶瓷基板领域实现了重大突破。通过掌握铸造、切割、冲压、烧结等完整加工链,以及数控、研磨、抛光、激光切割等后处理核心技术,开发出了高导热、高性能氮化硅陶瓷基板产品。

02 应对性能稳定和大规模生产 Si3N4 基板的行业挑战

氮化硅陶瓷基板是公认的综合性能最佳的散热基板,但在实际生产中需要解决两个具有挑战性的问题:实现 "高导热性 "和 "持续稳定的大规模生产"。

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正天新材料 Si3N4

要实现 "高导热",离不开优质的氮化硅粉末和科学先进的制备工艺。在原材料方面,正天新材料在全球范围内精选优质氮化硅粉末,从源头上确保氮化硅基片的 "优良基因"。

对于氮化硅衬底而言,实现持续稳定的大规模生产是一项行业挑战。这不仅需要稳定的工艺,确保避免基片出现翘曲和开裂等现象,还需要实现高效的连续操作。

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正天新材料铸造车间

凭借先进的工艺和设备,正天新材料已率先攻克了高导热、高性能氮化硅衬底。目前,该公司已实现稳定量产,热导率高达 85W/(m-K),热膨胀系数为 2.7×10-6/℃。产品还具有机械强度高、化学稳定性好、耐热性强、尺寸大(138mm*190.5mm)、氮化硅陶瓷基板翘曲小(≤200μm)等特点。

氮化硅陶瓷基板产品的尺寸

主要项目规格索引
基底尺寸(毫米)100*100, 114.3*114.3, 138*190.5±0.1毫米
厚度0.2, 0.25, 0.32, 0.635, 1.0±10% NLT:±0.04mm 10% NLT:±0.04mm

03 鱼儿在茫茫大海中跳跃,鸟儿在浩瀚天空中翱翔

随着基于碳化硅的第三代半导体芯片在新能源汽车和 5G 技术领域的快速普及,氮化硅陶瓷基板的需求也进入了快速发展阶段。

据预测,到 2025 年,全球电动汽车年销量将超过 2500 万辆。根据多家投资机构的数据估算,假设碳化硅功率器件的比例为 37%,并考虑到目前电动汽车 Si3N4 陶瓷基板的使用量为每辆车一个标准件(7.5×5.5 英寸),大客车等大型车辆为每辆车两个标准件,预计 2025 年全球对高导热氮化硅基板的年新增需求量约为 60 万平方米。

这只是新能源汽车领域的市场预测。此外,充电系统和 LED 应用等其他领域对高性能氮化硅陶瓷基板的需求也在快速增长。

正天新材料通过自主创新,实现了高性能、大尺寸氮化硅陶瓷基片的批量生产。在全面提升自身竞争实力的同时,引领行业走上自主可控的高质量发展之路。

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