米乐m6官方网站（以下简称“AIST”），多材料研究部，陶瓷结构控制小组，Yuki Nakajima，研究员，Manabu Fukushima，研究小组组长，Yu Zhou，首席研究员，Kiyoshi Hirao，客座研究员，Hideki Hinata，研究小组附件，32 我们原型制作了微米超薄氮化硅绝缘热耗散基板，以及介电强度处于可用于下一代电动汽车的水平。
高效的电源转换和控制电源模块为了散热，基板需要更薄。然而，随着基板变薄，介电强度电压也会降低，因此有必要了解薄基板的介电强度电压和机械强度并阐明这一现象。烧结而成氮化硅陶瓷尽管基板作为下一代绝缘散热基板备受关注，但测量其介电强度的例子却很少。因此，通过对各种厚度的超薄氮化硅陶瓷基板的介电强度电压进行测量和评估，我们发现，虽然介电强度电压随着基板变薄而降低，但对于50μm以下的薄基板，降低的程度更加平缓，甚至32μm的超薄基板也能承受大约28kV的电压。这个数字远高于下一代电动汽车所需的 850 V 工作电压。此外，由于基板厚度是市售基板的十分之一，因此散热性提高了约10倍。
该技术的详细信息将于 2021 年 12 月 1 日（日本时间）公布日本陶瓷学会会刊发表在杂志上。它还将于2021年11月26日至2022年2月28日在线举行的国际纳米技术展览和技术会议nano tech 2022上推出。
绝缘散热板及介质击穿示意图
高效转换和控制电力的电源模块预计未来将在电动汽车和电气化铁路的电机驱动控制以及太阳能发电等可再生能源相关领域得到普及。为了减小功率模块的尺寸并提高功率模块的输出，重要的是要考虑基板材料的热、机械和电性能，并选择最适合应用的基板材料。表1列出了目前常用基板材料的散热性、耐热性、机械强度、介电强度和成本。树脂基板因价格便宜而用于用电量较小的家电中，但其导热系数低、散热性差、耐热性低，因此不能用于大功率功率模块。因此，氧化铝陶瓷（Al2O3）、氮化铝陶瓷(AlN)、氮化硅陶瓷(Si3N4)被用作处理大量电力的混合动力和电动汽车中的功率模块的绝缘基板。目前，随着功率模块输出密度的进一步提高，需要更薄的板材来改善散热。广泛用作高导热陶瓷基板的氮化铝陶瓷，其强度低、断裂韧性，因此难以制成薄板并使用。另一方面，由于氮化硅陶瓷兼具高强度和断裂韧性，因此人们期待更薄的基板，因此有必要了解板厚和介电强度电压之间的关系。
表1 绝缘电路板材料特性比较
在上述社会背景下，具有高导热率和高断裂韧性的氮化硅作为功率模块陶瓷基板受到关注。 AIST致力于提高氮化硅陶瓷的导热性、测量陶瓷基板的介电强度、金属化温度循环测试等可靠性评估。典型的氮化硅陶瓷基板的热导率约为90 W/(m･K)，但2011年AIST开发了一种氮化硅陶瓷，其断裂韧性超过三倍，并且热导率达到世界最高的177 W/(m･K) (2011 年 9 月 6 日 AIST 新闻稿）。目前，产业技术研究院正在持续综合开发提高高导热氮化硅陶瓷的机械特性、薄基板制造工艺以及评价技术等相关技术。同时，我们一直在系统地研究氮化硅陶瓷的厚度依赖性，因为人们担心随着氮化硅陶瓷变薄，介电强度会降低。需要注意的是，相关研究针对的是廉价的氧化铝陶瓷基板（约30W/（m･K））和导热性优异的氮化铝陶瓷基板（约180W/（m･K））的厚度对介电强度的影响，而关于氮化硅陶瓷的报道几乎没有。
表示本次评价的氮化硅陶瓷的结构(图1-a)、薄壁化样品的外观(图1-b、板厚32μm)、半透明照片(图1-c)。从组织图像测量的基质具有复杂的结构，其中大的柱状颗粒分散在细颗粒内。由于这些柱状颗粒的独特结构，该材料具有很高的断裂韧性，因此与氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷等断裂韧性较低的常规材料不同，它可以加工成超薄板，并且可以变形。此外，由于该氮化硅陶瓷不含孔并且具有高密度，因此随着其变薄也呈现出半透明性。这样的变形特性和透光性是现有的绝缘散热基板的厚度（320μm～1mm）所无法获得的，可以说是新的附加价值。
图1（a）组织图像、（b）外观和（c）超薄基底（32μm）半透明性的图像照片
接下来，如图2所示，虽然氮化硅陶瓷基板的介电强度随着厚度从285μm减小到32μm而降低，但事实证明，即使在32μm的超薄厚度下，它仍然具有28kV的高介电强度电压。这个值足以高于下一代电动汽车的工作电压850V。目前市场上最薄的氮化硅陶瓷基板厚度仅为300μm左右，散热量与厚度成反比。例如，如果厚度减少到十分之一，散热性能将提高约10倍。因此，超薄基板有望有助于实现更小、更高输出的功率模块。
图2 氮化硅陶瓷基板的介电强度电压与基板厚度的关系
未来，我们将系统地评估经过调整的微观结构的氮化硅陶瓷基板的介电强度电压的厚度依赖性以及微观缺陷的影响，这将导致陶瓷基板的介电击穿，这一点至今尚未明确。通过阐明考虑断裂机制的结构和设计材料，我们的目标是开发具有更高介电强度的薄基板，以及先进的电气可靠性评估技术，并将其开发为下一代移动性的模块基板材料。