AMB活性金屬釬焊法，陶瓷與金屬的完美結合

AMB（Active Metal Brazing）即活性金屬釬焊法，這是一種在DBC技術的基礎上發(fā)展而來的將陶瓷與金屬封接的方法。

相比于傳統(tǒng)的DBC基板，采用AMB工藝制備的陶瓷基板，不僅具有更高的熱導率、更好的銅層結合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢；此外，因其加工過程能在一次升溫中完成，操作簡便、時間周期短、封接性能好并且對陶瓷的適用范圍廣，所以該工藝在國內外發(fā)展較快，成為了電子器件中常用的一種方法。

AMB工藝描述

AMB實施中，是在釬料中加入活性元素，通過化學反應在陶瓷表面形成反應層，提高釬料在陶瓷表面的潤濕性，從而使得陶瓷與金屬之間直接進行釬焊封接。

在制備中，主要選用Ti、Zr、Hf等金屬元素做焊料，原因是他們在元素周期表處于過渡區(qū)間，能夠與陶瓷表面的氧、碳、氮或硅發(fā)生化學鍵合，與Cu、Ni、Ag-Cu等在低于各自熔點的溫度下形成合金，從而在陶瓷表面形成一個反應層，為陶瓷表面增加更高程度的金屬特性，使釬焊合金能夠有效地潤濕和擴散。此外，反應層還可以在熱膨脹系數不匹配接頭表面形成過渡層來減少熱引起的殘余應力。

值得注意的是，AMB的封接性能相比通過金屬化法制備樣品的性能偏低。因此，亟待研發(fā)出高性能的AMB工藝來提高釬焊產品的質量。

通常，活性元素含量在2wt.%~8wt.%之間有較好的活性，當活性元素的含量過高時會造成釬料的脆性增大，從而降低封接面的強度，當活性元素的含量過低時，會導致釬料對陶瓷的潤濕性降低，造成封接不易完成。

AMB的三種陶瓷材料

AMB 工藝生產的陶瓷襯板主要運用在功率半導體模塊上作為硅基、碳化基功率芯片的基底。目前，成熟應用的AMB陶瓷基板主要有：氧化鋁、氮化鋁和氮化硅基板。

目前，Al₂O₃覆銅陶瓷基板主要應用在LED等小功率散熱器件中、AlN 和 Si₃N₄覆銅陶瓷基板主要應用在高鐵和風力發(fā)電等大功率IGBT模塊中。

Al₂O₃陶瓷基板

Al₂O₃陶瓷來源廣泛、成本最低，是性價比最高的AMB陶瓷基板，工藝最為成熟。具有強度高、硬度高、耐高溫、抗腐蝕、耐磨以及絕緣性能好等優(yōu)異特性。

但由于氧化鋁陶瓷的熱導率低、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格要求的領域。

AMB陶瓷板

目前，經過數代科研人員針對 Al₂O₃陶瓷的 AMB 工藝做了一系列的研究和探討，總結了一些典型的 Al₂O₃陶瓷活性釬焊的系統(tǒng)體系，如下表：

釬焊 Al2O3 陶瓷的典型釬料、工藝參數、反應產物及接頭強度

AlN 陶瓷基板

AlN 陶瓷由于具有高熱導率（理論熱導率 319 W/(m·K)）、低介電常數、與單晶硅相匹配的熱膨脹系數及良好的電絕緣性能，具有比傳統(tǒng)的 Al2O3和 BeO 基板材料更優(yōu)的性質，因而成為微電子工業(yè)中電路基板封裝的理想材料。

目前，采用 AMB工藝的氮化鋁陶瓷基板（AMB-AlN）主要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導體中。但由于機械強度相對較低，AMB-AlN覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，從而限制了其應用范圍。

Si₃N₄陶瓷基板

AMB-SiN陶瓷基板具有較高的熱導率（>90W/mK）、厚銅層（達 800μm）以及較高熱容量和傳熱性。特別是將較厚的銅層焊接到相對較薄的AMB-SiN陶瓷上時，其載流能力更高、傳熱性更好。

此外，AMB-SiN 陶瓷基板的熱膨脹系數（2.4ppm/K）與 SiC 芯片（4ppm/K）接近，具有良好的熱匹配性，適用于裸芯片的可靠封裝。

目前，在高可靠性、高散熱以及局部放電等方面有要求的新能源汽車、光伏逆變器、風力渦輪機和高壓直流傳動裝置等應用場景，AMB-SiN 陶瓷基板是首選的基板材料。

據統(tǒng)計，當前 600V 以上功率半導體所用的陶瓷基板主要采用 DBC 和 AMB 工藝，其中 AMB 氮化硅基板主要用于電動汽車（EV）和混合動力車（HV）功率半導體，AMB 氮化鋁基板主要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導體。

AMB工藝“上車”市場增速亮眼

據QYResearch調研報告顯示，2022年全球AMB陶瓷基板市場規(guī)模大約為4.3億美元，預計2029年將達到28億美元，未來幾年年復合增長率CAGR為26%。

其中，電動汽車的快速增長及SiC加速上車、新能源汽車的快速增長，是最主要的驅動因素。

AMB基板作為SiC的核心配套材料，目前推廣的難點在于成本較高，將伴隨SiC上車在新能源汽車領域取得突破。

目前，隨著碳化硅器件在電動汽車、光伏新能源、軌道交通等行業(yè)的應用，碳化硅器件市場需求迅速增長，全球碳化硅行業(yè)產能呈現供給不足的情況。為保證襯底供給，滿足以電動汽車為代表的客戶未來的增長需求，各大廠商紛紛開始擴產。隨著下游市場的超預期發(fā)展，產業(yè)鏈的景氣程度有望持續(xù)向好，SiC 襯底產業(yè)也將直接受益于行業(yè)發(fā)展。

新能源汽車也是該行業(yè)重要的驅動因素之一。全球電動汽車持續(xù)快速增長，2022年全球新能源汽車總銷量突破了1000萬輛，同步增長61%。中國和歐洲成為推動全球電動汽車銷量強勁增長的主要動力。2022年，中國新能源汽車產銷量分別達到705.8萬輛和688.7萬輛，同比增長96.9%和93.4%，新能源汽車產銷量已連續(xù)8年位居全球第一。其中，純電動汽車銷量536.5萬輛，同比增長81.6%。2022年，歐洲純電動汽車銷量同比上漲29%，至158萬輛。