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Si3N4-AMB陶瓷基板在高功率半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用

7 2023-08-28
AMB陶瓷基板

功率電子器件在電力存儲,電力輸送,電動汽車,電力機車等眾多工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著功率電子器件本身不斷的大功率化和高集成化,芯片在工作過程中將會產(chǎn)生大量的熱。如果這些熱量不能及時有效地發(fā)散出去,功率電子器件的工作性能將會受到影響,嚴(yán)重的話,功率電子器件本身會被破損。這就要求擔(dān)負絕緣和散熱功能的陶瓷基板必須具備卓越的機械性能和導(dǎo)熱性能。由于氮化硅(Si3N4)陶瓷的高導(dǎo)熱性、抗熱震性及在高溫中良好的機械性能,Si3N4-AMB陶瓷基板備受矚目。

Si3N4為何要用AMB工藝


目前功率半導(dǎo)體器件所用的陶瓷基板多為DBC(Direct Bond Copper,直接覆銅)工藝,Al2O3與ZTA等氧化物陶瓷以及AlN可使用DBC技術(shù)與銅接合:將無氧銅經(jīng)熱氧化或化學(xué)氧化制程于表面產(chǎn)生一Cu2O層,于1065~1083℃之間利用Cu-Cu2O共晶液相潤濕兩材料接觸面,并生成CuAlO2化合物達成陶瓷與銅鍵合。

Si3N4-AMB陶瓷基板

然而Si3N4與銅之間不會形成Cu-Si-O化合物,因此必須采用活性金屬焊接(Active Metal Brazing,AMB)技術(shù)與銅接合,利用活性金屬元素(Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等)可以潤濕陶瓷表面的特性,將銅層通過活性金屬釬料釬焊在Si3N4陶瓷板上。

Si3N4-AMB的生產(chǎn)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。

AMB氮化硅覆銅板制備工藝流程

在AMB工藝中,利用Ti等過渡金屬與Ag、Cu等元素形成合金焊料,具有很強的化學(xué)活性,能夠與氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等發(fā)生反應(yīng),促使熔融焊料潤濕陶瓷表面,完成氮化硅與無氧銅的連接?;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。對于焊膏工藝,在高真空中加熱時有大量有機物揮發(fā),導(dǎo)致釬焊界面不致密,出現(xiàn)較多空洞,使得基板在服役過程中易出現(xiàn)高壓擊穿、誘發(fā)裂紋的問題。

而在通過AMB工藝制備氮化硅覆銅基板的過程中,對Si3N4陶瓷和銅片進行除油和除氧化處理、提供較高的真空釬焊環(huán)境是目前公知的降低界面空洞率的方法。焊接壓力是空洞率最主要的影響因素,適當(dāng)加壓不僅可以使母材與焊料形成緊密的接觸,有利于接觸反應(yīng)熔化的進行,而且可以增強熔化焊料的流動性,擠出釬焊界面的氣體,從而降低空洞率。

此外,真空+氮氣的焊接氣氛比真空氣氛更有利于降低焊接空洞率,這對AMB工藝也有一定啟發(fā)作用,不過需要注意的是氮氣在高溫下可能會和Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其他惰性氣體(氦氣、氬氣等)可能更適用于AMB工藝。

Si3N4-AMB基板的特點

 由于焊料/焊片的作用,可使AMB基板較DCB基板的銅、瓷片間鍵合得更緊密,粘合強度比DBC更高、可靠度更好;

 Si3N4陶瓷具有更高的熱導(dǎo)率(商用產(chǎn)品的典型值在80到90W/mK),和氧化鋁基板或ZTA基板相比、擁有三倍以上的熱導(dǎo)率,熱膨脹系數(shù)(2.4ppm/K)較小,與半導(dǎo)體芯片(Si、SiC)接近,具有良好的熱匹配性。

AMB基板的熱阻比較

 氮化硅具有優(yōu)異的機械性能(兼顧高彎曲強度和高斷裂韌度,和氧化鋁基板或氮化鋁基板相比,約有兩倍以上的抗彎強度),因此具有極高的耐冷熱沖擊性(極高可靠性),可將非常厚的銅金屬(厚度可達800μm)焊接到相對較薄的氮化硅陶瓷上。因此,載流能力較高,而且傳熱性也非常好

AMB陶瓷覆銅基板熱循環(huán)測試

Si3N4-AMB基板的應(yīng)用

Si3N4-AMB具有高熱導(dǎo)率、高機械能、高載流能力以及低熱膨脹系數(shù),適用于SiCMOSFET功率模塊、大功率IGBT模塊等高溫、大功率半導(dǎo)體電子器件的封裝材料,應(yīng)用于電動汽車(EV)和混合動力車(HV)、軌道交通、光伏等領(lǐng)域。

從性價比方面考慮,目前450/600V的車規(guī)級IGBT模塊多用DBC陶瓷基板,800V及更高功率的是采用AMB陶瓷基板。SiC功率器件由于集成度和功率密度明顯提高,相應(yīng)工作產(chǎn)生的熱量極具增加,采用Si3N4-AMB基板以實現(xiàn)更高的熱性能和穩(wěn)健性成為新趨勢。

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