AMB活性金屬焊接陶瓷基板：陶瓷基板金屬化的新范式

轉(zhuǎn)自：廣州先進(jìn)陶瓷展

陶瓷基板按照工藝分有很多種，除了直接鍵合銅（DBC）法、直接電鍍銅(DPC)法、激光活化金屬(LAM)法、低溫共燒陶瓷（LTCC）、高溫共燒陶瓷（HTCC）之外，還有目前備受關(guān)注的AMB法技術(shù)，即活性金屬釬焊技術(shù)。AMB活性金屬焊接陶瓷基板其實(shí)是DBC直接鍵合銅陶瓷基板技術(shù)的提升。

DBC與AMB工藝的區(qū)別

AMB活性焊銅工藝是DBC工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它是利用釬料中含有的少量活性元素與陶瓷反應(yīng)生成能被液態(tài)釬料潤濕的反應(yīng)層，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬接合的一種方法。先將陶瓷表面印刷活性金屬焊料而后與無氧銅裝夾后在真空釬焊爐中高溫焊接，覆接完畢基板采用類似于PCB板的濕法刻蝕工藝在表面制作電路，最后表面鍍覆制備出性能可靠的產(chǎn)品。

AMB工藝流程

AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)度更高，可靠性更好。但是由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對于焊接的可靠性影響較大。

AMB與DBC的區(qū)別的關(guān)鍵點(diǎn)在于AMB工藝中，陶瓷表面印刷了活性金屬焊料，焊接界面強(qiáng)度高，可靠性更好。而DBC技術(shù)僅適用于氧化物陶瓷，例如氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯摻雜氧化鋁(也稱為HPS)。非氧化物陶瓷必須先氧化，然后才能通過DBC技術(shù)與銅鍵合。氮化鋁(AlN)可制成DBC或AMB基板，而氮化硅(Si3N4)僅能用作AMB基板。

AMB覆銅板三種材料

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。

① AMB氧化鋁基板

相對地，氧化鋁板材來源廣泛、成本最低，是性價比最高的AMB陶瓷基板，工藝最為成熟。但由于氧化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率低、散熱能力有限，AMB氧化鋁基板多用于功率密度不高且對可靠性沒有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。

② AMB氮化鋁基板

AMB基板具有較高的散熱能力，從而更適用于一些高功率、大電流的工作環(huán)境。但是由于機(jī)械強(qiáng)度相對較低，氮化鋁AMB覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，從而限制了其應(yīng)用范圍。

AMB氮化鋁基板

氮化鋁AMB基板具有較高的散熱能力，從而更適用于一些高功率、大電流的工作環(huán)境。但是由于機(jī)械強(qiáng)度相對較低，氮化鋁AMB覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，從而限制了其應(yīng)用范圍。

③ AMB氮化硅基板

氮化硅陶瓷，具有α-Si3N4和β-Si3N4兩種晶型，其中α相為非穩(wěn)定相，在高溫下易轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的β相。高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷內(nèi)β相的含量一般大于40%。憑借氮化硅陶瓷的優(yōu)異特性，AMB氮化硅基板有著耐高溫、抗腐蝕和抗氧化和功率密度超高等優(yōu)勢：

● AMB氮化硅基板具有高熱導(dǎo)率

AMB氮化硅基板具有較高的熱導(dǎo)率（>90W/mK），厚銅層（達(dá)800μm）還具有較高熱容量以及傳熱性。因此，對于對高可靠性、散熱以及局部放電有要求的汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)、牽引系統(tǒng)和高壓直流傳動裝置等來說，AMB氮化硅基板可謂其首選的基板材料。

AMB氮化硅基板

此外，活性金屬釬焊技術(shù)，可將非常厚的銅金屬（厚度可達(dá)0.8mm）焊接到相對較薄的氮化硅陶瓷上。因此，其載流能力較高，而且傳熱性也非常好。

● AMB氮化硅基板具有低熱膨脹系數(shù)

氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)（2.4ppm/K）較小，與硅芯片（4ppm/K）接近，具有良好的熱匹配性。因此，AMB氮化硅基板，非常適用于裸芯片的可靠封裝，封裝后的組件不容易在產(chǎn)品的生命周期中失效。

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)度和冷熱循環(huán)特性。目前，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，高鐵上的大功率器件控制模塊對IGBT模塊封裝的關(guān)鍵材料——陶瓷覆銅板形成巨大需求，尤其是AMB基板逐漸成為主流應(yīng)用。

（圖源：自京瓷官網(wǎng)）

日本京瓷采用活性金屬焊接工藝制備出了氮化硅陶瓷覆銅基板，其耐溫度循環(huán)（-40~125℃）達(dá)到5000次，可承載大于300A的電流，已用于電動汽車、航空航天等領(lǐng)域。該產(chǎn)品采用活性金屬焊接工藝將多層無氧銅與氮化硅陶瓷鍵合，同時采用銅柱焊接實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)，對IGBT模塊小型化、高可靠性等要求有較好的促進(jìn)作用。

另外，在大功率電力半導(dǎo)體模塊、高頻開關(guān)、風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、動力機(jī)車、航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域取得了進(jìn)展。

AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)度更高，可靠性更好。但是由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對于焊接的可靠性影響較大，只有少數(shù)美日中幾家公司掌握了高可靠活性金屬焊接技術(shù)。

各種陶瓷基板工藝和材料選擇的依據(jù)

陶瓷是一種具有化學(xué)惰性的物質(zhì)，并且耐腐蝕、耐濕氣和耐高溫，因此比在腐蝕性環(huán)境中會降解的有機(jī)電介質(zhì)更受歡迎。在設(shè)計(jì)新基板時，電氣、熱力和機(jī)械性能同等重要。介電強(qiáng)度是滿足隔熱要求的重要影響因素，需要根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。熱導(dǎo)率太低不利于芯片與周圍環(huán)境的熱傳導(dǎo)。當(dāng)基板承受熱機(jī)械應(yīng)力時，其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性對延長使用壽命有重要作用。

如果陶瓷基板在功率半導(dǎo)體器件中應(yīng)用，首先要計(jì)算散熱量。然后，根據(jù)芯片和環(huán)境溫度，計(jì)算出所需的基板熱阻。但是，銅和陶瓷的組合不一定都能達(dá)到所需的熱阻。一方面，隔離電壓決定了陶瓷的最小厚度。另一方面，銅與陶瓷的厚度比對可靠性有很大影響。最后，適用的標(biāo)準(zhǔn)組合將十分有限。

雖然陶瓷覆銅板工藝類型和基材都有多種組合，具體應(yīng)用的時候，要結(jié)合電氣，熱力，機(jī)械性能，成本，可靠性，尺寸厚度綜合來考慮。

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