翁雪萍 / 工研院材化所
隨著碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)等第三代半導體技術的快速發展，電力電子、新能源車及航太產業應用對高功率模組的散熱效能與可靠度要求日益嚴苛。傳統氧化鋁(Al2O3)基板導熱效能受限，而高導熱的氮化鋁(AlN)則因斷裂韌性較差，在嚴苛熱循環條件下易產生微裂紋，進而使電路失效。為突破此散熱與可靠度的雙重瓶頸，兼具高熱傳導率與優異機械強度的氮化矽(Si3N4)陶瓷，成為先進功率封裝基板備受矚目的關鍵材料。當前製程技術因聚焦於提升晶格純度、優化微觀結構與改良非氧化物燒結助劑，已成功將氮化矽的熱傳導率提升至120~170 W/(m·K)，甚至有機會挑戰更高的水準。而未來技術藍圖，也將持續致力於平衡極致導熱效能與微觀晶粒尺寸控制，以穩健對接次世代高功率密度電子元件的嚴峻散熱需求。面對電動車、智慧電網與人工智慧運算等高功率應用快速成長的趨勢，高導熱、高可靠度氮化矽陶瓷基板將持續扮演關鍵角色，並成為推動下一世代功率電子封裝技術發展的重要基石。
【內文精選】
基板材料綜合特性比較表
為了更直觀地了解上述三種材料的特性，表一綜合比較現有主流陶瓷基板的核心參數，作為工程設計思考的參考依據。從表一來看，我們可以看見氧化鋁的優勢是目前電子封裝中最成熟且最具經濟效益的材料。它具備優異的電氣絕緣性、高介電強度以及良好的化學抗腐蝕性與一般機械強度。然而它的熱導率在三者中也是最低的，且其熱膨脹係數偏高，與矽或碳化矽半導體晶片的匹配性較差。因此氧化鋁適用於散熱要求不高、一般功率密度且重視成本控制的電子模組。
▼表一、不同陶瓷基板材料特性比較
氮化鋁的優勢在於具備極高的熱導率。同時，其熱膨脹係數與矽、碳化矽及砷化鎵半導體材料匹配度高，能有效降低封裝界面產生的熱應力。然而其劣勢在於力學性能薄弱，特別是斷裂韌性偏低。這也導致在劇烈的高低溫熱循環環境下，金屬與陶瓷介面極易產生裂紋，進而使銅層剝落，顯現抗熱疲勞能力。此外，熱導率對氧雜質極為敏感，製造成本較高。因此，氮化鋁適合應用於靜態環境下需要極端散熱，但對機械衝擊或熱循環應力要求，較不嚴苛的高功率模組中。
圖一、(a) Si3N4；(b) AlN；(c) SiC陶瓷的斷裂表面
氮化矽的優勢則在於具備卓越的力學性能。無論是抗彎強度還是斷裂韌性，皆為三者之冠（如圖一）。這種高韌性賦予其極佳的抗熱震與抗熱疲勞能力，在數千次的嚴苛熱循環測試中能保持完好，不會發生銅層剝離。然而其劣勢在於使用傳統工藝下製造的氮化矽材料，其熱導率偏低。雖然新型高熱導技術已克服此瓶頸，但製程需要嚴格去除晶格氧缺陷並添加特殊非氧化物助劑，導致製造成本高昂。
因此，氮化矽適合應用於電動車(EV)、風力發電等運作環境惡劣，並且同時需兼顧高功率散熱與極端高可靠度（抗熱疲勞）的SiC模組。從數據可看出，氮化矽在強度與韌性上的壓倒性優勢，使其成為目前先進SiC功率封裝中，對抗熱疲勞(Thermal Fatigue)與提升系統可靠度的關鍵技術。
氮化矽微觀結構控制與製程突破
氮化矽陶瓷之所以能在高導熱性與高機械強度之間取得平衡，關鍵在於微觀結構上的設計。氮化矽不像氧化鋁或氮化鋁等單相導熱陶瓷，它反而是一種晶體結構高度異向性的材料 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》476期，更多資料請見下方附檔。