如今，SiC“上車”已成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)難以繞開的話題，諸多半導(dǎo)體企業(yè)在碳化硅上“卷”了起來(lái)。SiC在高壓+長(zhǎng)續(xù)航平臺(tái)有先天性能優(yōu)勢(shì)。

      目前IGBT封裝主要采用DBC陶瓷基板，DBC陶瓷基板是通過(guò)共晶鍵合法制備而成，銅和陶瓷之間沒有粘結(jié)材料，在高溫服役過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)殂~和陶瓷（Al2O3或AlN）之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致銅層從陶瓷表面剝離，因此傳統(tǒng)的DBC陶瓷基板已經(jīng)難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求。

      Si₃N₄-AMB基板技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和氮化硅陶瓷與銅片的覆接，可大幅提高陶瓷基板可靠性，逐步成為中高端IGBT模塊散熱電路板主要應(yīng)用類型。目前以Si基為主的IGBT模塊在具有高導(dǎo)熱性、高可靠性、高功率等要求、對(duì)成本不敏感的軌道交通、工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)領(lǐng)域正逐漸采用Si₃N₄-AMB陶瓷襯板替代原有的DBC陶瓷襯板，Si₃N₄-AMB基板是SiC器件封裝基板的首選。

      Ferrotec統(tǒng)計(jì)顯示，采用AMB工藝的氮化硅陶瓷基板(Si₃N₄-AMB)主要應(yīng)用在電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力車(HV)功率半導(dǎo)體中。Si₃N₄-AMB陶瓷基板具有高熱導(dǎo)率、高載流能力以及低熱膨脹系數(shù)，性能優(yōu)越有望成為IGBT和SiC功率器件基板應(yīng)用新趨勢(shì)：

● 高熱導(dǎo)率、高載流能力：Si₃N₄-AMB陶瓷基板熱導(dǎo)率高于90W/mk，厚銅層具有較高熱容量以及傳熱性，同時(shí)AMB工藝可將厚銅金屬(800μm)焊接到相對(duì)較薄的氮化硅陶瓷上，形成高載流能力；

● 低熱膨脹系數(shù)：Si₃N₄-AMB陶瓷基板熱膨脹系數(shù)為2.4ppm/K，與硅芯片(4ppm/K)接近，具有良好的熱匹配性，適用于裸芯片的可靠封裝。

      碳化硅車型滲透率預(yù)計(jì)2024年快速提升，新能源汽車領(lǐng)域成為Si₃N₄-AMB陶瓷基板最大需求領(lǐng)域：全球碳化硅模塊用量最多的是特斯拉，Model3開始全系標(biāo)配碳化硅MOSFET模塊替代IGBT作為逆變器功率器件，碳化硅模塊都必須采用Si₃N₄-AMB的陶瓷封裝材料。

      據(jù)估計(jì)，目前一塊標(biāo)準(zhǔn)襯板單價(jià)為400元左右，預(yù)計(jì)2027年預(yù)計(jì)全球采用SiC車型將達(dá)到1032萬(wàn)輛，考慮到未來(lái)降價(jià)至300元左右，預(yù)計(jì)2027年SiC車規(guī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到34.3億元。如果750V以上車規(guī)級(jí)IGBT模塊也進(jìn)行替換，預(yù)計(jì)車規(guī)級(jí)電控模塊所需Si₃N₄-AMB基板市場(chǎng)空間達(dá)到50億元左右。

Si₃N₄-AMB基板制備流程

      AMB工藝根據(jù)釬焊料不同，目前主要分為放置銀銅鈦焊片和印刷銀銅鈦焊膏兩種。以后者為例，首先將Ag、Cu、Ti元素直接以粉末形式混合制成漿料，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上，再利用熱壓技術(shù)將銅箔層壓在焊料上，最后通過(guò)燒結(jié)、光刻、腐蝕及鍍Ni工藝制備出符合要求的氮化硅AMB覆銅板。

      在AMB工藝中，利用Ti等過(guò)渡金屬與Ag、Cu等元素形成合金焊料，具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，能夠與氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等發(fā)生反應(yīng)，促使熔融焊料潤(rùn)濕陶瓷表面，完成氮化硅與無(wú)氧銅的連接?；钚栽豑i與氮化硅陶瓷反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiN和TiAl3。

      但這兩種方法都存在一定局限。首先，焊片工藝所用的銀銅鈦焊片在制備過(guò)程中容易出現(xiàn)活性元素Ti的氧化、偏析問題，導(dǎo)致成材率極低，焊接接頭性能較差。對(duì)于焊膏工藝，在高真空中加熱時(shí)有大量有機(jī)物揮發(fā)，導(dǎo)致釬焊界面不致密，出現(xiàn)較多空洞，使得基板在服役過(guò)程中易出現(xiàn)高壓擊穿、誘發(fā)裂紋的問題。此外，釋放的有機(jī)揮發(fā)物會(huì)污染真空腔體和泵組管道，影響分子泵的使用壽命。

      據(jù)此，李伸虎等創(chuàng)新地提出了銀銅鈦焊膏的預(yù)脫脂釬焊工藝，可以在保護(hù)高真空設(shè)備的同時(shí)，顯著降低Si₃N₄陶瓷-銅的界面空洞率。

      此外，AMB工藝還還存在一些短板，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度要比DBC、DPC兩種工藝大很多，對(duì)技術(shù)要求高，且在良率、材料等方面還有待進(jìn)一步完善，這使得該技術(shù)目前的實(shí)現(xiàn)成本還比較高。