DBA直接覆鋁陶瓷基板：功率器件封裝材料來勢(shì)洶洶！！

陶瓷基板

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型材料也不斷涌現(xiàn)。其中，直接覆鋁陶瓷基板（DBA基板）因其優(yōu)良的性能表現(xiàn)備受矚目，成為電子行業(yè)中備受關(guān)注的材料之一。今天，我們就來一起探討DBA基板的特點(diǎn)和應(yīng)用前景。

DBA直接覆鋁陶瓷基板（Direct Bonding Aluminum Ceramic Substrate，簡(jiǎn)稱DBA）是一種新型的電子材料，將會(huì)成為未來電子材料領(lǐng)域的新寵。特別的，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車超級(jí)快充站、智能電網(wǎng)、高壓光伏風(fēng)電領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)功率器件的高壓、高功率密度、強(qiáng)散熱等需求更加迫切，作為直接覆銅DCB陶瓷基板已不能滿足器件的散熱需求。

半導(dǎo)體大功率器件用陶瓷基板領(lǐng)域擁有全面的產(chǎn)品種類，客戶可以根據(jù)器件不同應(yīng)用場(chǎng)合需求，滿足最優(yōu)產(chǎn)品類型及規(guī)格尺寸定制服務(wù)。

陶瓷基板種類

不同陶瓷基板性能趨勢(shì)

DBA直接覆鋁基板展示品

1、特性驗(yàn)證對(duì)比

本文還將以AMB氮化硅覆銅陶瓷基板與DBA 氮化鋁覆鋁基板進(jìn)行性能對(duì)比研究：

AMB氮化硅覆銅陶瓷載板主要采用活性金屬焊料作為連接中間層，在真空釬焊條件下實(shí)現(xiàn)Cu箔與陶瓷的鍵合，活性金屬焊料層能緩解銅與瓷片之間的熱應(yīng)力，具有理想的可靠性與散熱性能；DBA直接覆鋁載板，是在高溫(高于660℃)條件下將鋁液直接與AlN陶瓷進(jìn)行浸潤(rùn)，經(jīng)冷卻后直接實(shí)現(xiàn)Al與AlN的鍵合，由于Al具有更低的強(qiáng)度，在冷熱循環(huán)過程中，可以有效減緩鋁與陶瓷間的熱應(yīng)力，具有優(yōu)異的可靠性。目前氮化硅AMB陶瓷載板與DBA直接覆鋁載板均是大功率器件的封裝重要材料，且各有優(yōu)勢(shì)，本文將選取相關(guān)重要性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比比較。

本研究選擇SAM聲波掃描檢查界面空洞率、鍵合強(qiáng)度、高壓局部放電性能、熱循環(huán)可靠性、表面可焊性等性能進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證測(cè)試。

圖1 (a) 氮化硅AMB母板載板, (b) 氮化鋁DBA母板載板

2、載板超聲波掃描空洞率驗(yàn)證

選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，對(duì)母板樣品，尺寸為138×190mm，經(jīng)表面清洗及圖形轉(zhuǎn)移、圖形蝕刻后，進(jìn)行超聲波掃描，檢查樣品界面處的焊接空洞率，如下圖2為AMB載板與DBA載板大尺寸母板的鍵合界面掃描圖，所用設(shè)備為Insight SAM聲波掃描顯微鏡，圖中可得AMB覆銅陶瓷載板與DBA陶瓷載板其界面空洞率均＜0.5%，AMB與DBA載板樣品均具有超卓的焊合效果。

圖2 (a)氮化硅AMB母板載板SAM聲波掃描圖,(b)氮化鋁DBA母板載板SAM聲波掃描圖

3、鍵合強(qiáng)度測(cè)試

氮化硅AMB載板母板與氮化鋁DBA樣品母板，樣品制備成測(cè)試條圖形，速度設(shè)定50mm/min，圖形樣品金屬層寬度5mm，90°垂直向上剝離測(cè)試。采用剝離測(cè)試機(jī)為HY-BL型號(hào)，剝離樣品剝離測(cè)試示意圖如下圖3。

從表2中可得，樣品測(cè)試過程中，AMB樣品均完成銅層與氮化硅陶瓷間的剝離，其剝離強(qiáng)度值達(dá)到13.97~14.63N/mm；DBA樣品在測(cè)試過程中，隨著夾頭牽引鋁層，進(jìn)行緩慢提升，其剝離力急劇增長(zhǎng)，達(dá)到設(shè)備極限98.0N時(shí)，設(shè)備迅速急停，發(fā)現(xiàn)鋁層并未均勻拉起，鋁層剝離測(cè)試時(shí)出現(xiàn)急劇頸縮，并斷裂?？梢耘袛啵珼BA金屬鋁層與氮化鋁陶瓷間的鍵合強(qiáng)度值大于鋁層的抗拉強(qiáng)度，估算其剝離強(qiáng)度＞19.6N/mm。

4、載板局部放電性能驗(yàn)證

選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，該樣品圖形具有等效平板電容特征。在氟油中，局部放電測(cè)量?jī)x的高壓電極連接載板一面，載板另一面連接接地金屬平板，如圖4所示。分別在4.5kV、7.0Kv、9Kv的高壓下進(jìn)行持續(xù)時(shí)間為1min的絕緣局部放電測(cè)試。檢測(cè)AMB覆銅載板與DBA直接覆鋁載板的在高壓條件下max局部放電量，進(jìn)行性能對(duì)比，根據(jù)國(guó)際電工協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，以局部放電量＜10pC 為判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板局部放電性能

從上表可得，氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，在4.5Kv持續(xù)1min條件下，均滿足局部放電量＜10pC的要求；在7.0Kv持續(xù)1min測(cè)試中，DBA載板仍然保持良好的局部放電特性，局部放電量＜10pC，AMB載板的局部放電量激增數(shù)百倍，測(cè)試的樣品中局部放電量均大于1000pC；針對(duì)DBA樣品繼續(xù)升壓進(jìn)行9.0Kv持續(xù)1min條件下測(cè)試，DBA載板局部放電量＜10pC，高壓條件下，氮化鋁DBA載板局部放電性能優(yōu)于氮化硅AMB載板。

5、熱循環(huán)可靠性驗(yàn)證

選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，置于TSE-12-A型號(hào)冷熱循環(huán)試驗(yàn)箱中，進(jìn)行熱循環(huán)可靠性測(cè)試，測(cè)試條件為，-55℃/30min~150℃/30min中間轉(zhuǎn)換時(shí)間小于60s，熱循環(huán)測(cè)試3000次后，采用Insight SAM聲波掃描顯微鏡進(jìn)行界面檢查。可知，氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，均具有良好的熱循可靠性。3000次熱循環(huán)測(cè)試并未影響鍵合區(qū)的強(qiáng)度，陶瓷保持完整。

圖5 (a) 氮化硅AMB載板0次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖,(b) 氮化鋁DBA載板0次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖,(c) 氮化硅AMB載板3000次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖, (d) 氮化鋁DBA載板3000次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖

6、表面可焊性驗(yàn)證

選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板樣品，分別進(jìn)行化鍍鎳金，Ni層厚度為3.0~7.0μm，金層厚度為0.025~0.045μm，進(jìn)行表面可焊性測(cè)試。

具體步驟操作為：在載板表面指定區(qū)域使用焊料進(jìn)行涂刷（Sn-Ag3.5Cu0.5），平移置于288±5℃條件下的加熱平臺(tái)上，保持10-30s，充分熔融后，樣品平移至冷卻區(qū)域，目視檢查所覆焊接區(qū)應(yīng)光滑、無虛焊、漏焊等。測(cè)試結(jié)果如下圖，可知氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板樣品均具有良好的可焊性能，測(cè)試表面焊錫區(qū)面積達(dá)≥95%以上。

總結(jié)：

本文重點(diǎn)針對(duì)AMB載板與DBA載板的相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試，其中在焊接空洞率、鍵合強(qiáng)度、熱循環(huán)可靠性、表面可焊性等測(cè)試過程中，均表現(xiàn)優(yōu)異且符合商用載板的基本使用要求。AlN載板擁有較高的熱導(dǎo)率120-180W/mK，與氮化硅AMB載板相比，考慮相當(dāng)熱導(dǎo)量性能條件下，采用的0.635mm的氮化鋁陶瓷層厚度的氮化鋁DBA載板具有更高的絕緣性能，主要體現(xiàn)在載板的局部放電性能上。在器件應(yīng)用上，氮化鋁DBA載板，高電壓下局部放電量低，且其與Si芯片熱膨脹系數(shù)匹配性好，適合大功率Si基大功率器件模塊；氮化硅AMB載板，氮化硅陶瓷強(qiáng)度高（抗彎強(qiáng)度≥800Mpa），韌性好，其與SiC芯片熱膨脹系數(shù)匹配性好，適合大功率SiC器件模塊。

為滿足器件在嚴(yán)苛環(huán)境下高壓、大功率、高可靠性以及強(qiáng)散熱需求下，DBA基板可選擇厚度為0.635mm氮化鋁陶瓷，DBA基板綜合熱導(dǎo)率可達(dá)到185-210W/m·k，是強(qiáng)散熱需求器件的理想襯板。

超聲波掃描技術(shù)在IGBT模塊檢測(cè)的應(yīng)用

AMB/DBC陶瓷基板超聲SAM檢測(cè)