中國粉體網(wǎng)訊 近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為一個體量快速增長、技術(shù)持續(xù)革新的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，對汽車陶瓷零部件的需求也在快速上升。氮化硅陶瓷憑借自身耐高溫、耐腐蝕、耐磨性能和獨特的電性能在新能源汽車零部件領(lǐng)域中很“吃香”！國內(nèi)外企業(yè)紛紛下場布局：
▶力星股份：陶瓷球下半年將逐步進入批量化生產(chǎn)階段；
▶國瓷金盛新廠開業(yè)，專注陶瓷軸承球生產(chǎn)研發(fā)；
▶SKF和中材高新氮化物深度合作，加速混合陶瓷球軸承的大規(guī)模應(yīng)用;
▶金冠電氣：開展陶瓷基板研發(fā) 進軍新能源領(lǐng)域（大功率 IGBT用的高端氮化鋁和氮化硅陶瓷基板(DBC、AMB）；
▶總投資8億元！高端陶瓷材料制品項目開工建設(shè)（氮化硅陶瓷制品）；
▶為滿足電動汽車需求，日本UBE計劃將氮化硅產(chǎn)能提高約1.5倍；
▶東芝材料：再投70億日元！擴產(chǎn)氮化硅球；
投資建設(shè)、擴大產(chǎn)能.....可見，氮化硅“上車”來勢洶洶。
氮化硅陶瓷：電動汽車的兩大應(yīng)用方向
氮化硅陶瓷軸承
軸承，機械裝備中重要的核心基礎(chǔ)件，常被譽為機械裝備中的“心臟”零部件。面對一般軸承要面對的“三大殺手”：異物、銹蝕、振動。氮化硅（Si3N4）陶瓷材料無疑是最佳選擇。
氮化硅陶瓷球，來源：中材高新
新能源汽車的電機軸承相比傳統(tǒng)軸承轉(zhuǎn)速高，需要密度更低、相對更耐磨的材料，氮化硅陶瓷軸承中的球在軸承組件內(nèi)產(chǎn)生更少的摩擦、更少的熱量；由于電機的交變電流引起周圍電磁場變化，需要更好的絕緣性減少軸承放電產(chǎn)生的電腐蝕，Si3N4作為天然的電絕緣體，在高頻交流電環(huán)境下，陶瓷滾動體在軸承的內(nèi)外圈之間起阻斷作用。另外，Si3N4陶瓷的相對介電常數(shù)低，其電阻值很大，則此時陶瓷軸承仍是阻隔軸電流的有效工具。
電驅(qū)時代下，陶瓷軸承取代鋼球軸承已經(jīng)是一種趨勢，如特斯拉采用的電機中輸出軸是采用陶瓷軸承，采用NSK設(shè)計的混合陶瓷軸承，軸承滾珠采用50個氮化硅球組成；奧迪ATA250電機位于內(nèi)部的2個轉(zhuǎn)子軸承采用陶瓷材質(zhì)制成。
在制備方面，制備高端陶瓷球一般需要同時實現(xiàn)三個關(guān)鍵技術(shù)指標，高精度、長疲勞壽命、好的表面質(zhì)量。得益于“熱等靜壓”高溫高壓燒結(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，目前長疲勞壽命陶瓷球毛坯的氮化硅毛坯球的制備技術(shù)已取得突破。
目前高端陶瓷軸承產(chǎn)品生產(chǎn)仍以日本、歐美企業(yè)為主導，國際市場占有率、發(fā)展方向的引領(lǐng)力仍然被國外知名企業(yè)所控制。而我國在2015年中材高新氮化物陶瓷有限公司突破了熱等靜壓氮化硅陶瓷球批量化制造技術(shù)，成為繼美國庫斯泰克、日本東芝之后第三家，也是國內(nèi)首家形成批量化生產(chǎn)熱等靜壓氮化硅陶瓷材料的企業(yè)，產(chǎn)品出口到瑞典斯凱孚、美國鐵姆肯、德國GMN、西班牙福賽等地。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近年來，受益于新能源汽車、風力發(fā)電行業(yè)發(fā)展速度加快，氮化硅陶瓷軸承球市場空間不斷擴大。2022年全球氮化硅陶瓷軸承球市場規(guī)模達到6.6億美元，同比增長8.9%。
高導熱氮化硅基板
氮化硅陶瓷基板綜合性能優(yōu)異可靠，主要采用活性金屬釬焊覆銅AMB工藝，氮化硅陶瓷基板在導熱性、高機械強度、低膨脹系數(shù)、抗氧化性能、熱腐蝕性能、摩擦系數(shù)等方面具有優(yōu)異的性能。它的理論熱導率高達400W/（m.k），熱膨脹系數(shù)約為3.0x10-6℃，與Si、SiC、GaAs等材料具有良好的匹配性，使氮化硅陶瓷基板成為非常有吸引力的高強度、高導熱性能，完全滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的第三代大功率半導體電子器件基板材料封裝要求。
電動汽車中的功率控制模塊
來源：李少鵬《新一代 IGBT 模塊用高可靠氮化硅陶瓷覆銅基板研究進展》
在電動汽車領(lǐng)域，氮化硅陶瓷基板主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封裝：
（1）Si IGBT
車用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級要高得多，逆變器內(nèi)溫度極高，同時還要考慮強振動條件，車規(guī)級的IGBT性能要求遠在工業(yè)級之上。因為氮化硅基板用于車用IGBT封裝是再適合不過，可以適應(yīng)高溫高壓的工作環(huán)境，及時散去電源系統(tǒng)中的高熱量，保護芯片正常工作，延長電子設(shè)備的使用周期。
（2）SiC MOSFET
在新能源汽車的核心電機驅(qū)動中，采用SiC MOSFET器件比傳統(tǒng)Si IGBT帶來5%～10%續(xù)航提升，未來將會逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面積小，對散熱要求高，氮化硅陶瓷基板具備優(yōu)異的散熱能力和高可靠性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車領(lǐng)域主驅(qū)應(yīng)用的必選項。目前已經(jīng)量產(chǎn)的Tesla model 3中，就有大批量使用氮化硅陶瓷基板應(yīng)對SiC MOSFET器件散熱。
但目前，業(yè)界在同時滿足力學性能和導熱要求的氮化硅基板的生產(chǎn)上，依然存在技術(shù)難題。受限于陶瓷原料粉體的純度，燒結(jié)助劑，殘留氣孔，燒結(jié)工藝控制控制等元素，當前商業(yè)上可獲得的氮化硅陶瓷基板的熱導率都遠不如理論值。為了盡可能提高氮化硅基板熱導率并維持相應(yīng)的力學強度，業(yè)界一般通過：1）通過控制氮化硅晶粒中的氧含量和雜質(zhì)含量；2）控制氮化硅原料粉體顆粒分布；在氮化硅粉末中添加β-Si3N4晶種；3）優(yōu)化燒結(jié)助劑成分；4）使陶瓷晶界相再結(jié)晶等方法來提高氮化硅陶瓷的熱導率。
2021年全球氮化硅陶瓷基板市場規(guī)模在4億美元左右，在新能源汽車等終端市場需求推動下，中國已經(jīng)成為全球重要的氮化硅陶瓷基板消費國，國內(nèi)產(chǎn)品主要依賴進口，國內(nèi)市場規(guī)模從2017年的0.27億美元增長至2021年的1.20億美元，GAGR為45.2%。隨著IGBT和碳化硅MOS在新能源車領(lǐng)域的滲透率越來越高，市場空間有望進一步提升。
2017-2021年全球及中國氮化硅陶瓷基板市場規(guī)模(單位：億美元)
在電動化浪潮的席卷下，氮化硅陶瓷材料已成為電動汽車軸承和散熱基板的最優(yōu)之選。在此背景下，中國粉體網(wǎng)將于2023年9月12日在合肥舉辦“第一屆電動車用陶瓷材料技術(shù)研討會”。屆時，來自中材高新材料股份有限公司董事長張偉儒將帶來題為《高端氮化硅陶瓷材料在電動車上應(yīng)用進展》的報告，歡迎報名參會。
參考來源：
李少鵬：新一代 IGBT 模塊用高可靠氮化硅陶瓷覆銅基板研究進展
新思界網(wǎng)：洞察]氮化硅陶瓷軸承球性能優(yōu)異 我國高端產(chǎn)品國產(chǎn)化進程加快
中國粉體網(wǎng)：氮化硅，請“上車”!
中國粉體網(wǎng)：陶瓷基板的市場到底有多大？十億？百億？
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
