氮化硅陶瓷在新能源汽車領域的應用

氮化硅具有高抗彎強度、高斷裂韌性、良好的抗蠕變性，高硬度和高耐磨性。它被認為是結構陶瓷家族中性能最好的材料。作為技術創新不斷快速增長的戰略性新興產業，新能源汽車領域對陶瓷部件的需求不斷增加，氮化硅扮演著多重重要角色。

首先，氮化硅軸承是被稱為機械工業“芯片”的關鍵部件。它們主要用于支撐旋轉機械并降低摩擦系數，確保精確的旋轉性能。氮化硅的密度約為軸承鋼的42%，高彈性模量為320 GPa，抗拉強度為1600 MPa，抗壓強度高達3600 MPa。此外，其機械性能在900°C以下幾乎保持不變，使其成為滾動軸承滾動體的理想材料。目前，使用氮化硅球作為滾動體的軸承已成為全球最受歡迎、高性能、應用最廣泛的先進陶瓷軸承。在新能源汽車領域，氮化硅軸承的采用主要有以下幾個原因：

1.電動機軸承需要密度低，耐磨性較高的材料，以適應更高的速度。

2.電機產生的交流電引起周圍電磁場的變化，要求良好的絕緣性能，以減少軸承放電引起的腐蝕。

3.軸承球需要具有光滑的表面和最小的磨損。陶瓷球由于其低密度、高硬度和出色的耐磨性，非常適合高速旋轉條件。它們在高溫、強磁性和高真空環境中尤其不可替代。在新能源汽車領域，陶瓷軸承已逐漸取代鋼球軸承。

其次，氮化硅陶瓷基板是將氮化硅粉末與少量氧化物和稀土材料燒結而成的陶瓷板。這些基材表現出優異的綜合性能和可靠性，包括高導熱性、高機械強度、低熱膨脹系數、抗氧化性、耐熱腐蝕性、低介電損耗和低摩擦系數。氮化硅陶瓷具有極高的理論導熱系數（約400 W/（m·K））和低熱膨脹系數（約3.0x10-6°C），使其與Si，SiC和GaAs等材料兼容。因此，氮化硅襯底的高強度和高導熱性滿足了汽車電子功率器件模塊封裝的高溫、大功率、高散熱和高可靠性的要求。有人認為，氮化硅陶瓷基板是與氧化鋁陶瓷基板和氮化鋁陶瓷基板相比的升級產品。目前，氮化硅襯底主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封裝，具體應用如下：

1.對于汽車級IGBT，散熱效率遠高于工業級。逆變器的內部溫度極高，還需要考慮強烈的振動條件。汽車級IGBT的性能要求遠遠超過工業級。氮化硅襯底非常適合汽車級IGBT封裝，能夠適應高溫高壓工作環境，有效散熱電源系統中產生的高熱量，保護芯片的正常運行，延長電子設備的使用壽命。

2. 對于碳化硅MOSFET，在新能源汽車的核心電機驅動中采用碳化硅MOSFET器件，與傳統的Si IGBT相比，續航里程可提高5%至10%。碳化硅MOSFET芯片面積小，散熱要求高。氮化硅陶瓷襯底具有優異的散熱能力和高可靠性，幾乎是碳化硅MOSFET在新能源汽車領域主要應用的必選。例如，特斯拉Model 3廣泛使用氮化硅陶瓷基板來解決SiC MOSFET器件的散熱問題。

綜上所述，氮化硅陶瓷在新能源汽車領域的兩個主要應用方向是氮化硅軸承和高導熱氮化硅襯底。氮化硅軸承表現出優異的機械性能和耐磨性，使其適用于高速旋轉和惡劣的工況，已廣泛應用于新能源汽車的電機系統。氮化硅陶瓷襯底具有高導熱性和機械強度，滿足汽車電子功率器件模塊高溫、大功率、高散熱、高可靠性的要求，廣泛應用于Si IGBT和SiC MOSFET的封裝。這些應用有助于新能源汽車的發展，提高其性能和可靠性。