1、-23-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 4 期专利分析陶瓷封装基片是制备功率半导体器件的重要原料，目前的陶瓷封装基片主要包括氧化铝基片、氮化铝基片以及氮化硅基片，三种基片均是通过相应的粉体烧结而成。相比于氧化铝基片和氮化铝基片，氮化硅陶瓷基片以其高热导率、高强度、低热膨胀系数以及优异的介电性能而成为目前研究和应用的热点。氮化硅粉体是制备氮化硅陶瓷的原料，是影响氮化硅陶瓷性能的关键。目前，制备氮化硅粉体的方法主要有：直接氮化法、碳热还原法、硅亚胺热解法、高温自蔓延法等。上述四种方法在制备方式上各有特点
2、，本文重点检索了各种能够用于陶瓷基片制备的氮化硅粉体（除另做说明外，本文氮化硅粉体均指能够用于制备陶瓷基片的氮化硅粉体，下文通称氮化硅粉体）的国内外专利文献，检索日期截止到 2023年 7 月 31 日，为了解氮化硅粉体产业专利申请的整体态势，重点研究了全球氮化硅粉体产业的专利申请分布、主要申请人排名、技术功效等。通过专利文献，分析我国的优劣势，找出关键技术发展趋势和技术突破点，寻求适合中国发展的技术路线，为相关研发主体提供研究方向，加快产业化进程，加速国产替代。氮化硅粉体专利技术概述如图 1 所示，截止至检索日，全球氮化硅陶瓷粉体制备专利的总申请量为 545 项，其中，日本的申请量最多，处于
3、霸主地位，占总申请量的 58%，共计 315 项；中国的专利申请量次之，占总申请量的 26%，共计 140 项；美国的专行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度本文通过深入挖掘专利数据，重点分析了陶瓷基片用氮化硅粉体的国内外专利申请分布、重点申请人、重要制备工艺、具体的改进方向以及达到的技术功效，并进一步阐明了氮化硅粉体制备四种制备方法的工艺特点以及潜在的改进方向，为我国企业破除国外的专利壁垒和技术封锁、加速国产化替代给出了相关建议和参考。陶瓷基片用氮化硅粉体专利现状周 伟 李 菲周 伟 李 菲（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心周伟（1991），四川
4、成都，硕士，中级知识产权师，研究方向：无机非金属材料领域专利审查。李菲（1992），四川成都，硕士，中级知识产权师，研究方向：无机非金属材料领域专利审查。课题项目：本文成果来自国家知识产权局学术委员会 2023 年度半导体功率器件用陶瓷基板及金属化技术专利分析研究课题。图1 氮化硅粉体制备领域各国专利申请量对比（单位：项）中国科技信息 2024 年第 4 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-24-专利分析利申请量占总申请量的6%，共计31项；接下来依次是德国、韩国，分别为 29 项、8 项，其他国家和地区占比 4%。从整体分布比
5、例可以看出，日本在氮化硅陶瓷粉体制备方面占据着无可撼动的龙头地位，同时结合氮化硅陶瓷粉体市场数据来看，日本企业也占据了全球氮化硅陶瓷粉体 70%以上的市场份额，而在高端氮化硅粉体市场，日本更是占据了九成的市场份额，结合前述分析可知，虽然日本自 20 世纪 90年代后期开始专利申请量不再占据绝对优势，但由于其多年的技术积累，在高端陶瓷粉体领域依旧牢牢掌握着话语权。中国申请人虽然进入氮化硅陶瓷粉体领域较晚，但申请量较高，自 2002 年开始进行氮化硅粉体制备专利布局以来，专利申请量占据了全球总申请量的半数以上，表明了中国申请主体近年来在氮化硅粉体领域的活跃性持续增长，这与中国的市场逐年壮大、国内企
6、业以及研究机构加紧追赶密不可分。图2、3示出了氮化硅粉体国外以及国内的主要申请人，从图可知，国外主要申请人均为企业，且基本上集中在日本，前 10 名中日本占据了 9 个，仅有拜耳（德国）位列第 8 名，这进一步说明了在氮化硅粉体领域日本的霸主以及垄断地位，并且头部的两家企业电气化学（日本）以及宇部兴产（日本）在申请量上也大幅领先其他申请人。反观国内，申请人则并不是特别集中，呈现出多点开花的局面，然而国内企业和高校科研院所占比各为一半，表明了我国相关企业在申请专利方面的热度并不高，这与国内企业大多处于市场准入阶段、还未形成专利保护意识也有一定的关系。例如青岛瓷兴，虽然成立时间较短，但已经发展成为
7、国内最大的氮化硅粉体制造企业，年产可达600t，在市场上已经取得了一定的份额。然而，其专利布局和挖掘水平却未能与其研发生产能力相匹配，总申请量为 8 项，目前授权的却仅有 3 项，并且保护范围较大，这也表明了我国企业在专利保护方面还需要积累相关经验，培养相关人才。技术功效分析通过分析氮化硅粉体的制备方法、改进手段以及技术效果之间的关系，能够确定为了获得高性能氮化硅粉体所采用的主要技术手段，从而能够获知全球主要的研发改进思路，为我国企业的研发和突破提供参考。从图 4 中可知，直接氮化法是制备氮化硅粉体的主要手段，其申请量占比为 46%，这是因为其原料丰富、工艺简单、无副反应，目前工业生产也以该方
8、法为主，其次为碳热还原法，其申请量占比为 24%，硅亚胺热解法占比 16%，而高温自蔓延法申请量则占比 8%，从总数量上来看，全球对于氮化硅粉体制备主要集中在直接氮化法和碳热还原法上，然而，随着对于高纯、超细、高活性氮化硅粉体的性能要求越来越高，而硅亚胺热解法能够生产出粒径均一、纯度更高、杂质含量更低的氮化硅粉体，因此近年来也愈发受到人们的重视。上述四种方法虽然均能够获得满足性能要求的氮化硅粉体，但对于性能的影响和关注却各有不同。为了进一步分析制备方法以及技术效果之间的关系，分别研究了四种制备方法与粉体最终性能的相关性（如图 6 所示）。从图 5 可以看出，对于直接氮化法和高温自蔓延法而言，其
9、主要为了解决粉体的相含量和纯度的问题；对于碳热还原法，相含量、纯度和粒径均处在非常重要的地位，三者的关注量基本相同；而对于硅亚胺热解法而言，其最主要的改进方向则是粉体的比表面积，其次才是 相含量和纯度。综合四种方法来看，图3 氮化硅粉体专利申请国内排名前十申请人（单位：项）图2 氮化硅粉体专利申请国外排名前十申请人（单位：项）图 4 全球有关氮化硅粉体制备中各个方法的专利申请分布（单位：项）图 5 氮化硅粉体制备方法的技术功效图（单位：项）-25-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 4 期专利分析 相含
10、量、纯度以及粒径和比表面积均是最主要的改进点，这也是陶瓷基片用氮化硅粉体最重要的几种性能。四种方法中，只有硅亚胺热解法和直接氮化法是同时重点关注了纯度、相含量、粒径和比表面积这四种性能，因此，这两种方法也是目前制备出各项性能都比较优异的制备工艺，直接氮化法是应用最广泛、技术成熟的高纯氮化硅粉体批量化生产方法，而硅亚胺热解法则能够制备出性能最优的高质量粉体。高温自蔓延法由于反应速度快，高 相含量获得较困难且可控性差，因此烧结活性不够。而碳热还原法中二氧化硅和碳还原反应控制困难，易导致过量的碳，进而可能会使产物中有碳或碳化硅杂质存在。对于上述四种方法，每一种方法改进的侧重点则有所不同，其大致可以划
11、分为四个主要的改进方向：原料（包括控制原料的粒径、纯度、配比、对原料进行化学处理、热处理以及采用非常规原料）、添加剂（包括稀释剂、晶种、烧结助剂、催化剂、成核剂、活性剂）、工艺参数控制（包括温度、气氛、时间、压力、氧分压以及其他）和后处理工艺（包括对获得的氮化硅粉末进行粉碎研磨、热处理、化学处理以及掺杂处理）。图 6 示出了各个改进方向对于氮化硅粉末性能的影响关系，从图 6 可知，对于工艺参数调整、添加剂和原料这三种改进手段，氮化硅粉末的纯度和 相含量均是最主要改进的性能，其次是粒径和比表面积，而后处理则主要为了解决纯度、粒径以及比表面积问题，同样是因为后处理主要涉及氮化硅晶体粉末进一步纯化、
12、调节晶相或形貌以及提高可烧结性等，上述工艺的目的在于改善纯度、粒径以及比表面积性能。此外，通过改善工艺参数调整、添加剂和原料，还可获得成本能耗、工艺周期的改进，而后处理属于额外的工艺步骤，其对于成本能耗以及工艺周期显然没有改善效果。由此可见，为了获得高质量的氮化硅粉体，工艺参数的调整是最主要的手段，其次可以通过使用添加剂来改善上述性能，原料的选择和处理对于各项性能的影响同样十分重要。从上述分析可知，直接氮化法生产成本较低、技术成熟，因此其应用最广泛，市场占有量也最高，而硅亚胺热解法则能够制备出性能最优的高质量粉体，但相对而言成本较高，且目前只有宇部兴产（日本）完全掌握该工艺并实现工业化生产。为
13、获得粉体性能的提升，可以优先考虑从工艺参数的调整以及添加剂的选择入手，此外，后处理工艺也是影响我国企业获得高质量粉体的一个重要因素，其导致国内企业生产出的粉体性能指标不及日本产品，后处理工艺（尤其是粉碎研磨工艺）将是我国重点发力寻求突破的一个方向。结语（1）日本在氮化硅粉体领域，不论是专利申请量，还是商业市场份额上，都基本维持着龙头地位。相比于国外，我国氮化硅粉体整体研究起步晚，而且主要以科研院所为主，面临产业化问题，国内虽有部分厂商具备氮化硅的商业化生产能力，但无法生产出媲美国际顶尖水平的高质量粉体。（2）直接氮化法、碳热还原法、硅亚胺热解法以及高温自蔓法是目前氮化硅粉体商业生产中最为主流的
14、方法。碳热还原法和直接氮化法虽然应用较广，但制备的氮化硅陶瓷粉体杂质含量较高。高温自蔓延工艺在我国有一定的技术优势，虽然其无法制备出高质量的氮化硅粉体，但我国可以借鉴电气化学（日本）的研发思路，在现有高温自蔓延工艺的研究基础上，重点探究如何降低成本，并进一步提高粉体质量。与此同时，硅亚胺热解工艺作为最有前景的生产工艺，应当加大研发力度，虽然实验室能够实现小批量制备，但产业化的步伐还需要进一步加快脚步，突破国外公司的专利壁垒，获得高纯超细的氮化硅粉体。（3）对于政府而言，可以通过政策引导，加强企业与高校，上下游企业之间的合作关系，形成优势互补，可以考虑产学研的深度融合，比如借鉴青岛瓷兴与清华大学
15、、中国科学院上硅所、武汉理工大学等科研机构紧密合作，在氮化硅高温自蔓延工艺上已取得了一定突破。此外，不仅要在工艺上形成独立的自主知识产权，而且应当对于设备供应厂商加大扶持力度，提高国产设备的稳定性和可靠性，同时联合各方制定统一有效的质量评价体系，提高产业化产品的质量稳定性的同时，降低生产成本。（4）国内企业应当积极促进专利合作，可以以企业联盟的方式，从自身实力出发，需求对口的合作伙伴，尤其是在技术上存在互补关系的厂商，对内构建专利池，筑起知识产权保护的高墙，对外建立统一战线。例如，国内青岛瓷兴合并同立高科氮化硅事业部，借此，能够进一步壮大我国头部企业的国际竞争力。图 6 氮化硅粉体制备工艺中各改进方向的技术功效图（单位：项）