中國粉體網訊 近年來，新能源汽車產業作為一個體量快速增長、技術持續革新的戰略新興產業，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域中很“吃香”！國內外企業紛紛下場布局：
▶力星股份：陶瓷球下半年將逐步進入批量化生產階段；
▶國瓷金盛新廠開業，專注陶瓷軸承球生產研發；
▶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模應用;
▶金冠電氣：開展陶瓷基板研發 進軍新能源領域（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（氮化硅陶瓷制品）；
▶為滿足電動汽車需求，日本UBE計劃將氮化硅產能提高約1.5倍；
▶東芝材料：再投70億日元！擴產氮化硅球；
投資建設、擴大產能.....可見，氮化硅“上車”來勢洶洶。
氮化硅陶瓷：電動汽車的兩大應用方向
氮化硅陶瓷軸承
軸承，機械裝備中重要的核心基礎件，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軸承轉速高，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產生更少的摩擦、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生的電腐蝕，Si3N4作為天然的電絕緣體，在高頻交流電環境下，陶瓷滾動體在軸承的內外圈之間起阻斷作用。另外，Si3N4陶瓷的相對介電常數低，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。
電驅時代下，陶瓷軸承取代鋼球軸承已經是一種趨勢，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電機位于內部的2個轉子軸承采用陶瓷材質制成。
在制備方面，制備高端陶瓷球一般需要同時實現三個關鍵技術指標，高精度、長疲勞壽命、好的表面質量。得益于“熱等靜壓”高溫高壓燒結技術的不斷發展和成熟，目前長疲勞壽命陶瓷球毛坯的氮化硅毛坯球的制備技術已取得突破。
目前高端陶瓷軸承產品生產仍以日本、歐美企業為主導，國際市場占有率、發展方向的引領力仍然被國外知名企業所控制。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，成為繼美國庫斯泰克、日本東芝之后第三家，也是國內首家形成批量化生產熱等靜壓氮化硅陶瓷材料的企業，產品出口到瑞典斯凱孚、美國鐵姆肯、德國GMN、西班牙福賽等地。
根據相關數據顯示，近年來，受益于新能源汽車、風力發電行業發展速度加快，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、抗氧化性能、熱腐蝕性能、摩擦系數等方面具有優異的性能。它的理論熱導率高達400W/（m.k），熱膨脹系數約為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級要高得多，逆變器內溫度極高，同時還要考慮強振動條件，車規級的IGBT性能要求遠在工業級之上。因為氮化硅基板用于車用IGBT封裝是再適合不過，可以適應高溫高壓的工作環境，及時散去電源系統中的高熱量，保護芯片正常工作，延長電子設備的使用周期。
（2）SiC MOSFET
在新能源汽車的核心電機驅動中，采用SiC MOSFET器件比傳統Si IGBT帶來5%～10%續航提升，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異的散熱能力和高可靠性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車領域主驅應用的必選項。目前已經量產的Tesla model 3中，就有大批量使用氮化硅陶瓷基板應對SiC MOSFET器件散熱。
但目前，業界在同時滿足力學性能和導熱要求的氮化硅基板的生產上，依然存在技術難題。受限于陶瓷原料粉體的純度，燒結助劑，殘留氣孔，燒結工藝控制控制等元素，當前商業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的力學強度，業界一般通過：1）通過控制氮化硅晶粒中的氧含量和雜質含量；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）優化燒結助劑成分；4）使陶瓷晶界相再結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，中國已經成為全球重要的氮化硅陶瓷基板消費國，國內產品主要依賴進口，國內市場規模從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之選。在此背景下，中國粉體網將于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：洞察]氮化硅陶瓷軸承球性能優異 我國高端產品國產化進程加快
中國粉體網：氮化硅，請“上車”!
中國粉體網：陶瓷基板的市場到底有多大？十億？百億？
（中國粉體網編輯整理/空青）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除
