Si3N4 DBC和AMB陶瓷基板

轉自：功率半導體那些事兒，作者Disciples

前言

隨著寬禁帶半導體的發(fā)展，功率半導體器件往更高的功率密度，更高的芯片溫度以及更高的可靠性方向發(fā)展，相應地也對于功率半導體模塊封裝的提出了更高的要求。包括我們前面聊到的無焊料，無鍵合線等互連技術趨勢外，絕緣基板的選擇也成為經(jīng)常討論的話題。

為了提高模塊的散熱性能，必須在芯片和底板之間放置一塊具有高導熱率的絕緣基板，在絕緣基板上構建電路互連的主要方法是DBC（直接鍵合銅），其中一個陶瓷絕緣層--具有非常好的電絕緣和電介質強度，直接粘合在兩層銅之間。這些基板通常根據(jù)應用情況和其熱性能、機械性能和電絕緣性能來進行選擇。

早之前我們也有簡單聊過絕緣基板

功率模塊Ⅰ—— 絕緣襯底 和 功率模塊Ⅱ —— 絕緣襯底金屬化

常見的絕緣基板材料有氧化鋁（Al2O3以及摻雜9%氧化鋯的HPS）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）等。其中Al2O3算是最經(jīng)濟的選擇，雖然它具有相對較高的機械強度，但是與其他材料相比，導熱系數(shù)方面顯得便弱了很多，相對來說不太契合后續(xù)功率器件的發(fā)展要求；AlN具有更高的導熱率，CTE與硅幾乎相同，有效地降低了分層和焊料疲勞等問題，但機械強度在較大的熱循環(huán)中還不夠有優(yōu)勢。Si3N4的CTE也非常接近半導體芯片，同時提供了很好的機械強度和熱疲勞能力，但成本和供應相對來說算是一個“弱點”，但當下我們在高性能模塊中還是很常見的，氮化硅基板的使用在未來應該會變得越為常見。

最近朋友分享了一篇羅杰斯關于氮化硅DBC和AMB對比的文章，

‘Comparison of Silicon Nitride DBC and AMB Substrates for different  applications in power electronics’

基于這個，我們再來聊一聊絕緣基板。

氮化硅DBC和AMB

DBC（直接鍵合銅）技術和AMB（活性金屬釬焊）技術，目前最常見的兩種基板敷銅工藝，下面是兩種制造過程的簡單示意圖。

DBC的基本原理是在銅和陶瓷基板之間引入氧元素，在約1000℃時形成Cu/O共晶液相，進而與陶瓷基板進行粘附。但AlN和Si3N4等則需要首先在其表面進行一層氧化，才能夠滿足傳統(tǒng)的DBC工藝。

AMB的基本原理是在900℃的溫度下，含有活性元素Ti、Zr的焊料在陶瓷和金屬的界面潤濕并反應，從而實現(xiàn)粘合。

上面所示的SEM電鏡掃描界面圖，我們可以更為清楚地看到每一層。

Si3N4陶瓷基板特性

熱阻

銅金屬化基板的熱阻主要取決于陶瓷基本材料，下表是AlN和Si3N4基板搭配0.3mm的銅層后的熱阻對比，由于熱阻Rth和厚度成正比，所以氮化硅厚度是氮化鋁一半時，熱阻幾乎一致。

并且我們可以看到，其他條件相同的前提下，Si3N4采用DBC和AMB的情況下熱阻也幾乎一樣。

熱沖擊

為了了解幾種不同陶瓷基板可靠性，通過熱沖擊測試對他們進行表征對比，下面是AlN、Al2O3、HPS、Si3N4(DBC&AMB)的對比。

我們可以看到，相同條件下，Si3N4的DBC基板比常見的Al2O3的DBC基板抗熱沖擊的能力提高了20倍，而其AMB基板（0.5mm銅層）更是超過了50倍。

電絕緣性能

對幾種陶瓷基板進行了局部放電和擊穿強度測試，測試條件：球電極50Hz交流電，變化速率1kV/s，在5kV下測量局部放電，增加電壓直到出現(xiàn)擊穿。測試結果如下，

所有陶瓷基板的電絕緣性能都還不錯，所以一般我們都不太會談及這方面的影響。

Layout 建議

AMB陶瓷基板的絕緣間隙必須略大于DBC的，去除釬焊材料的必要刻蝕工藝限制的這方面的最小尺寸。高功率密度的需求意味著更高的電流，而AMB允許更厚的銅層（0.3mm~0.8mm），即能夠擁有更高的電流承載能力。

應用

下面是文章中給到的陶瓷基板隔離電壓和導熱系數(shù)相關的應用領域分布圖，

以及不同陶瓷基板的特性優(yōu)劣和對應的相關應用對比，

小結

今天的內容主要在于了解Si3N4的DBC和AMB陶瓷基板的相關特性，以及和幾種主要陶瓷基板之間的比較。就像任何事情基本都會談及的一個關鍵因素“成本”，我們更多的時候看到的還是傳統(tǒng)的Al2O3 DBC基板，或者是為了增加機械強度而摻雜9%氧化鋯的HPS基板。只有在一些追求性能更優(yōu)，成本能夠權衡的領域可以看到Si3N4 DBC或者AMB基板。

不管怎么樣，未來能夠遇見的肯定會越來越多，我們能夠學習的也會越來越多，雖然現(xiàn)在要學習的也很多。但我們可以再回頭喝一口開頭的雞湯，任何事情不都是需要一個過程，就看你在其中抱著怎樣的態(tài)度。

最后，今天的內容希望你們能夠喜歡！

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