氮化硅AMB基板是新能源汽車SiC功率模塊的首選工藝

轉(zhuǎn)自：碳化硅研習(xí)社，來源：活性釬焊

碳化硅（SiC）作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，相對于Si基器件具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在高頻、高壓、高溫等工作場景中，有易散熱、小體積、低能耗、 高功率等明顯優(yōu)勢。

如今，SiC“上車”已成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)難以繞開的話題，而這要?dú)w功于搭載意法半導(dǎo)體碳化硅器件的特斯拉Model 3的問世，使諸多半導(dǎo)體企業(yè)在碳化硅上“卷”了起來。SiC在高壓+長續(xù)航平臺(tái)有先天性能優(yōu)勢。

01   SiC在新能源汽車上的應(yīng)用優(yōu)勢

1提升加速度

新能源汽車的加速性能與動(dòng)力系統(tǒng)輸出的最大功率和最大扭矩密切相關(guān)，SiC技術(shù)允許驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)承受更大輸入功率，且不怕電流過大導(dǎo)致的熱效應(yīng)和功率損耗，這就意味著車輛起步時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以輸出更大扭矩，強(qiáng)化加速能力。

2增加續(xù)航里程

續(xù)航里程和充電時(shí)間長是目前電動(dòng)車的首要痛點(diǎn)，提高電壓能在同樣的電阻下減少電耗損失，提升效率，增加續(xù)航里程。同時(shí)，800V高壓平臺(tái)可搭配350kW超級(jí)充電樁，提升充電速度，縮短充電時(shí)長。此外在充電功率相同的情況下，800V高壓快充架構(gòu)下的高壓線束直徑更小，相應(yīng)成本更低，電池散熱的更少，熱管理難度相對降低，整體電池成本更優(yōu)。SiC器件通過導(dǎo)通/開關(guān)兩個(gè)維度降低損耗，從而實(shí)現(xiàn)增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的目的。

3汽車輕量化

SiC材料載流子遷移率高，能提供較高的電流密度，相同功率等級(jí)下封裝尺寸更小。SiC能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開關(guān)，減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等的使用，從而減少系統(tǒng)體系和重量；SiC禁帶寬度寬且具有良好的熱導(dǎo)率，可以使器件工作于較高的環(huán)境溫度中，從而減少散熱器體積；SiC可以降低開關(guān)與導(dǎo)通損耗，使系統(tǒng)效率提升，同樣續(xù)航范圍內(nèi)，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。

02   新能源汽車持續(xù)滲透+汽車平臺(tái)高壓化帶動(dòng)SiC 器件市場將高速增長

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021-2027年，全球 SiC 功率器件市場規(guī)模將由10.9億美元增長到62.97億美元，CAGR為34%;其中車用SiC市場規(guī)模將由6.85億美元增長到49.86億美元，CAGR 為39.2%，車(逆變器+OBC+DC/DC轉(zhuǎn)換器)是SiC最大的下游應(yīng)用，占比由62.8%增長到79.2%，市場份額持續(xù)提升。

2021-2022年，現(xiàn)代IONIQ5、奧迪e-tron GT、保時(shí)捷Taycan等國外車型，以及長城沙龍機(jī)甲龍、北汽極狐阿爾法S華為HI版、極氪001等國內(nèi)車型已率先應(yīng)用800V高壓平臺(tái)+SiC功率模塊。2023年以后，更多基于800V架構(gòu)的新能源汽車將進(jìn)入量產(chǎn)階段。根據(jù)英飛凌預(yù)計(jì)，到2025年汽車電子功率器件領(lǐng)域采用SiC技術(shù)的占比將會(huì)超過20%。

03   AMB陶瓷基板需求受益于SiC MOS放量進(jìn)入加速成長期

2022年800V高壓平臺(tái)成為解決快充痛點(diǎn)的主流方案，碳化硅模塊上車的進(jìn)程大幅超過市場預(yù)期，AMB陶瓷基板優(yōu)異導(dǎo)熱和抗彎性能已經(jīng)成為SiC芯片最佳封裝材料。

陶瓷襯板又稱陶瓷電路板，是在陶瓷基片上通過覆銅技術(shù)形成的基板;再通過激光鉆孔、圖形刻蝕等工藝制作成陶瓷電路板。

陶瓷基板按照工藝主要分為DBC、AMB、DPC、HTCC、LTCC等基板，按照基板材料劃分主要為氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si3N4)，其中氧化鋁陶瓷基板最常用，主要采用DBC工藝;氮化鋁陶瓷基板導(dǎo)熱率較高，主要采用DBC和AMB工藝;氮化硅可靠性優(yōu)秀，主要采用AMB工藝。

04   Si3N4-AMB基板是SiC器件封裝首選

以往被廣泛使用的直接覆銅（DBC）陶瓷基板是通過共晶鍵合法制備而成，銅和陶瓷之間沒有粘結(jié)材料，在高溫服役過程中，往往會(huì)因?yàn)殂~和陶瓷（Al2O3或AlN）之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致銅層從陶瓷表面剝離，因此傳統(tǒng)的DBC陶瓷基板已經(jīng)難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求。

Si3N4-AMB覆銅基板則是利用活性金屬元素（Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等）可以潤濕陶瓷表面的特性，將銅層通過活性金屬釬料釬焊在Si3N4陶瓷板上。通過活性金屬釬焊（AMB）工藝形成的銅/陶瓷界面粘結(jié)強(qiáng)度更高，且Si3N4陶瓷相比Al2O3和AlN同時(shí)兼顧了優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的導(dǎo)熱性，因此Si3N4-AMB覆銅基板在高溫下的服役可靠性更強(qiáng)，是SiC器件封裝基板的首選。

三種陶瓷基板材料性能對比（來源：張偉儒，《第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展》

05   Si3N4-AMB基板制備流程

AMB工藝根據(jù)釬焊料不同，目前主要分為放置銀銅鈦焊片和印刷銀銅鈦焊膏兩種。以后者為例，工藝流程如下圖所示。首先將Ag、Cu、Ti元素直接以粉末形式混合制成漿料，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上，再利用熱壓技術(shù)將銅箔層壓在焊料上，最后通過燒結(jié)、光刻、腐蝕及鍍Ni工藝制備出符合要求的氮化硅AMB覆銅板。

氮化硅AMB覆銅板制備工藝流程圖

在AMB工藝中，利用Ti等過渡金屬與Ag、Cu等元素形成合金焊料，具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，能夠與氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等發(fā)生反應(yīng)，促使熔融焊料潤濕陶瓷表面，完成氮化硅與無氧銅的連接?；钚栽豑i與氮化硅陶瓷反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiN和TiAl3。

但這兩種方法都存在一定局限。首先，焊片工藝所用的銀銅鈦焊片在制備過程中容易出現(xiàn)活性元素Ti的氧化、偏析問題，導(dǎo)致成材率極低，焊接接頭性能較差。對于焊膏工藝，在高真空中加熱時(shí)有大量有機(jī)物揮發(fā)，導(dǎo)致釬焊界面不致密，出現(xiàn)較多空洞，使得基板在服役過程中易出現(xiàn)高壓擊穿、誘發(fā)裂紋的問題。此外，釋放的有機(jī)揮發(fā)物會(huì)污染真空腔體和泵組管道，影響分子泵的使用壽命。

據(jù)此，李伸虎等創(chuàng)新地提出了銀銅鈦焊膏的預(yù)脫脂釬焊工藝，可以在保護(hù)高真空設(shè)備的同時(shí)，顯著降低Si3N4陶瓷-銅的界面空洞率。

此外，AMB工藝還還存在一些短板，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度要比DBC、DPC兩種工藝大很多，對技術(shù)要求高，且在良率、材料等方面還有待進(jìn)一步完善，這使得該技術(shù)目前的實(shí)現(xiàn)成本還比較高。

AMB(Active Metal Brazing)

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