氮化硅陶瓷在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用

氮化硅具有高抗彎強(qiáng)度、高斷裂韌性、良好的抗蠕變性，高硬度和高耐磨性。它被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)陶瓷家族中性能最好的材料。作為技術(shù)創(chuàng)新不斷快速增長(zhǎng)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，新能源汽車(chē)領(lǐng)域?qū)μ沾刹考男枨蟛粩嘣黾樱?/span>氮化硅扮演著多重重要角色。

首先，氮化硅軸承是被稱(chēng)為機(jī)械工業(yè)“芯片”的關(guān)鍵部件。它們主要用于支撐旋轉(zhuǎn)機(jī)械并降低摩擦系數(shù)，確保精確的旋轉(zhuǎn)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(qiáng)度為1600 MPa，抗壓強(qiáng)度高達(dá)3600 MPa。此外，其機(jī)械性能在900°C以下幾乎保持不變，使其成為滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體的理想材料。目前，使用氮化硅球作為滾動(dòng)體的軸承已成為全球最受歡迎、高性能、應(yīng)用最廣泛的先進(jìn)陶瓷軸承。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，氮化硅軸承的采用主要有以下幾個(gè)原因：

1.電動(dòng)機(jī)軸承需要密度低，耐磨性較高的材料，以適應(yīng)更高的速度。

2.電機(jī)產(chǎn)生的交流電引起周?chē)姶艌?chǎng)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(zhuǎn)條件。它們?cè)诟邷亍?qiáng)磁性和高真空環(huán)境中尤其不可替代。在新能源汽車(chē)領(lǐng)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(jié)而成的陶瓷板。這些基材表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能和可靠性，包括高導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、抗氧化性、耐熱腐蝕性、低介電損耗和低摩擦系數(shù)。氮化硅陶瓷具有極高的理論導(dǎo)熱系數(shù)（約400 W/（m·K））和低熱膨脹系數(shù)（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(qiáng)度和高導(dǎo)熱性滿足了汽車(chē)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(rèn)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(jí)產(chǎn)品。目前，氮化硅襯底主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封裝，具體應(yīng)用如下：

1.對(duì)于汽車(chē)級(jí)IGBT，散熱效率遠(yuǎn)高于工業(yè)級(jí)。逆變器的內(nèi)部溫度極高，還需要考慮強(qiáng)烈的振動(dòng)條件。汽車(chē)級(jí)IGBT的性能要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)工業(yè)級(jí)。氮化硅襯底非常適合汽車(chē)級(jí)IGBT封裝，能夠適應(yīng)高溫高壓工作環(huán)境，有效散熱電源系統(tǒng)中產(chǎn)生的高熱量，保護(hù)芯片的正常運(yùn)行，延長(zhǎng)電子設(shè)備的使用壽命。

2. 對(duì)于碳化硅MOSFET，在新能源汽車(chē)的核心電機(jī)驅(qū)動(dòng)中采用碳化硅MOSFET器件，與傳統(tǒng)的Si IGBT相比，續(xù)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(yōu)異的散熱能力和高可靠性，幾乎是碳化硅MOSFET在新能源汽車(chē)領(lǐng)域主要應(yīng)用的必選。例如，特斯拉Model 3廣泛使用氮化硅陶瓷基板來(lái)解決SiC MOSFET器件的散熱問(wèn)題。

綜上所述，氮化硅陶瓷在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的兩個(gè)主要應(yīng)用方向是氮化硅軸承和高導(dǎo)熱氮化硅襯底。氮化硅軸承表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和耐磨性，使其適用于高速旋轉(zhuǎn)和惡劣的工況，已廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)的電機(jī)系統(tǒng)。氮化硅陶瓷襯底具有高導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度，滿足汽車(chē)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(yīng)用于Si IGBT和SiC MOSFET的封裝。這些應(yīng)用有助于新能源汽車(chē)的發(fā)展，提高其性能和可靠性。