AMB活性金屬焊接陶瓷基板的性能及應(yīng)用

第三代半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）的崛起和發(fā)展推動(dòng)了功率器件尤其電力電子器件朝著大功率、小型化、集成化、多功能方向不斷發(fā)展，對(duì)封裝基板的性能要求越來(lái)越高。陶瓷基板由于兼具高熱導(dǎo)率、高耐溫、高絕緣耐壓、低熱膨脹系數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，在功率器件封裝中得到廣泛應(yīng)用，芯片性能的提升也推動(dòng)芯片基板的性能不斷向前發(fā)展。

AMB陶瓷基板

目前的陶瓷基板按照工藝劃分有多種類型，除了發(fā)展已久的直接鍵合銅（DBC）基板、直接電鍍銅(DPC)基板、激光活化金屬(LAM)基板、低溫共燒陶瓷基板（LTCC）、高溫共燒陶瓷基板（HTCC）外，還有目前備受關(guān)注的活性金屬釬焊（AMB）陶瓷基板。

什么是活性金屬釬焊技術(shù)？

AMB活性金屬釬焊覆銅工藝是DBC工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)往釬料中添加少量能與陶瓷反應(yīng)的活性元素得到能直接釬焊陶瓷的活性金屬釬料，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與銅的釬焊接合。AMB的整個(gè)釬焊工藝過(guò)程與常規(guī)釬焊并無(wú)不同，包括組裝“陶瓷/焊料/銅”的三明治結(jié)構(gòu)、高溫釬焊兩個(gè)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)在于所用的釬料以及大面積釬焊的工藝控制，得到AMB陶瓷覆銅板后再通過(guò)與PCB板類似的濕法蝕刻和鍍覆工藝得到AMB陶瓷線路板。

AMB工藝流程

AMB和DBC的比較

AMB與DBC主要區(qū)別在于AMB工藝的陶瓷和銅之間有活性焊料填充，界面空洞控制更好，界面結(jié)合強(qiáng)度高，可靠性好，且釬焊工藝不挑陶瓷。

DBC技術(shù)的結(jié)合邏輯在于銅Cu與陶瓷中氧O的反應(yīng)，因此只能直接適用于氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯摻雜氧化鋁(也稱為HPS)的氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷如氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si3N4)必須先預(yù)氧化，然后才能通過(guò)DBC技術(shù)與銅鍵合。氮化鋁(AlN)采用DBC或AMB工藝的均比較常見，而氮化硅(Si3N4)采用DBC工藝的比較少見，這是由于AMB工藝的可靠性遠(yuǎn)高于DBC工藝，能更大程度的發(fā)揮力學(xué)性能更佳的氮化硅陶瓷的潛力。

AMB陶瓷基板按材質(zhì)分類

根據(jù)陶瓷材質(zhì)的不同，目前成熟應(yīng)用的AMB陶瓷基板可分為：氧化鋁、氮化鋁和氮化硅基板，根據(jù)不同陶瓷的性能、價(jià)格差異應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

AMB工藝流程

① 氧化鋁AMB基板

氧化鋁陶瓷來(lái)源廣泛、成本最低，是當(dāng)前性價(jià)比最高的AMB陶瓷基板，其工藝也最為成熟，但由于其熱導(dǎo)率低，散熱能力有限，多用于功率密度不高且對(duì)可靠性沒有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。

② 氮化鋁AMB基板

氮化鋁的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于氧化鋁和氮化硅，其導(dǎo)熱能力極佳，能很好的匹配一些高功率、大電流工作環(huán)境的散熱要求。但是由于其機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，氮化鋁AMB基板的耐溫度沖擊能力較差，其失效往往發(fā)生在陶瓷本身，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用于溫變劇烈的嚴(yán)苛工作環(huán)境中，從而大大限制了其應(yīng)用范圍。

③ 氮化硅AMB基板

氮化硅陶瓷的綜合性能極佳，其熱膨脹系數(shù)（2.4ppm/K）較小，與半導(dǎo)體芯片材料（Si/SiC）接近；其熱導(dǎo)率（>90W/mK）雖然不如AlN，但力學(xué)性能大大優(yōu)于AlN，可以在保證高可靠性的前提下覆載更厚的銅以應(yīng)對(duì)高載流要求。氮化硅通過(guò)陶瓷厚度做薄的方式也能兼顧散熱能力和可靠性，在嚴(yán)苛的工作環(huán)境或可靠性要求高的領(lǐng)域通常會(huì)選用氮化硅AMB基板，如高可靠性、散熱以及局部放電要求的汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)、軌道機(jī)車牽引系統(tǒng)、高壓直流傳動(dòng)裝置等。

AMB陶瓷基板的應(yīng)用

與DBC陶瓷基板相比，AMB陶瓷基板具有更高的結(jié)合強(qiáng)度和耐冷熱沖擊特性，可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)表明，冷熱沖擊測(cè)試下（-55-150℃，高低溫各停留15分鐘，轉(zhuǎn)換時(shí)間＜30s），Si3N4的循環(huán)壽命可達(dá)到5000次以上；AlN和Al2O3可達(dá)到數(shù)百次。

AMB陶瓷基板目前已在軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的功率器件/模塊封裝中成熟應(yīng)用，受價(jià)格和產(chǎn)能的影響，整個(gè)市場(chǎng)應(yīng)用還處于爬坡階段，尚未完全鋪開。我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的功率半導(dǎo)體需求市場(chǎng)，隨著新能源汽車的深入發(fā)展，驅(qū)動(dòng)IGBT和碳化硅功率器件/模塊快速發(fā)展，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)AMB陶瓷基板也在飛速發(fā)展。