第3代半导体碳化硅功率器件用高导热氮化硅陶瓷基板最新进展

第3代半导体一般指禁带宽度大于2.2eV的半导体材料，也称为宽禁带半导体材料。半导体产业发展大致分为3个阶段，以硅（Si）为代表的通常称为第1代半导体材料；以砷化镓为代表的称为第2代半导体材料，已得到广泛应用；而以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石等宽禁带为代表的第3代半导体材料，由于其较第1代、第2代材料具有明显的优势，近年来得到了快速发展。SiC、GaN、ZnO等第3代半导体具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性，更适合制作大功率电子器件。而SiC以其独特的排列结构，在材料综合性能、产品技术成熟度及产业化发展等方面都凸显出相对较高优势，具有高临界击穿电场、高电子迁移率等特性，与GaN相比更适合制作功率器件，且已在新能源汽车、风电、光伏太阳能发电和LED照明等领域得到广泛应用，如图1所示。

然而，随着第3代半导体SiC功率器件集成度和功率密度的明显提高，相应工作产生的热量急剧增加。因此，电子封装系统的散热问题已成为影响其性能和寿命的关键，要有效解决器件的散热问题，必须选择高导热的基板材料。据统计，由热引起的大功率器件失效高达55%。不仅如此，在新能源汽车、现代交通轨道等领域，大功率器件使用过程中还需要考虑颠簸、震动等复杂应用条件，这对基板等材料机械力学性能和可靠性提出了更高要求。综合考虑，先进陶瓷材料以其具备高强度、高导热、耐高温、高耐磨性、抗氧化、热膨胀系数低和抗热震等热、力性能，同时具有较好的气密性，可隔离水汽、氧气和灰尘等特点，成为大功率半导体器件基板的最佳材料，被广泛应用到功率集成电路中。……