中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近日，博敏電子在互動(dòng)平臺(tái)表示，公司IGBT陶瓷基板屬于新的AMB工藝技術(shù)，對(duì)比DBC，AMB更具導(dǎo)熱性、耐熱性、耐沖擊。公司配合車(chē)廠進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代，該陶瓷基板也逐步應(yīng)用于新能源汽車(chē)的IGBT模塊上。

散熱和可靠性是IGBT必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是在金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和雙極晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合功率器件，具有輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區(qū)大和可耐高電壓和大電流等一系列優(yōu)點(diǎn)，大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、電力機(jī)車(chē)?yán)锏碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)以及并網(wǎng)技術(shù)、儲(chǔ)能電站、工業(yè)領(lǐng)域的高壓大電流場(chǎng)合的交直流電轉(zhuǎn)換和變頻控制等領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域中最重要的大功率器件，是綠色經(jīng)濟(jì)的核“芯”。

但由于IGBT技術(shù)門(mén)檻較高，國(guó)內(nèi)芯片和封裝技術(shù)一直沒(méi)有獲得很好的突破，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)IGBT市場(chǎng)一直被歐美日等企業(yè)所壟斷。當(dāng)今國(guó)際上IGBT模塊技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第五代，除了芯片技術(shù)外，封裝技術(shù)也非常關(guān)鍵，新的封裝材料和新的封裝技術(shù)層出不窮。對(duì)于軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)用的高壓、大電流、高功率IGBT模塊來(lái)說(shuō)，散熱和可靠性是其必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

DBC陶瓷基板

直接鍵合銅(DBC)陶瓷基板是在1000℃以上的高溫條件下，在含氧的氮?dú)庵屑訜�，使銅箔和陶瓷基板通過(guò)共晶鍵合的方式牢固結(jié)合在一起，其鍵合強(qiáng)度高且具有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。

2018年，王彩霞等人在預(yù)氧化溫度為600℃、時(shí)間1h、氧分壓為5×10^-4MPa的條件下，在銅箔表面獲得了致密且均勻的Cu₂O薄膜，該薄膜與基體銅緊密結(jié)合，有效提高了DBC基板的結(jié)合性能。

DBC陶瓷基板制備工藝流程

DBC具有導(dǎo)熱性好、絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于IGBT、LD和CPV封裝。DBC缺點(diǎn)在于，其利用了高溫下Cu與Al₂O₃間的共晶反應(yīng)，對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高，基板成本較高；由于Al₂O₃與Cu層間容易產(chǎn)生微氣孔，降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性；由于銅箔在高溫下容易翹曲變形，因此DBC表面銅箔厚度一般大于100m；同時(shí)由于采用化學(xué)腐蝕工藝，DBC基板圖形的最小線寬一般大于100m。

AMB陶瓷基板

活性金屬焊接(AMB)陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接。活性焊料通過(guò)在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備，由于稀土元素具有高活性，可提高焊料熔化后對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性，使陶瓷表面無(wú)需金屬化就可與金屬實(shí)現(xiàn)焊接。

AMB陶瓷基板產(chǎn)品及其(b)截面圖

AMB基板制備技術(shù)是DBC基板工藝的改進(jìn)(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合，而AMB基板采用活性焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合)，通過(guò)選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C)，進(jìn)而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力。

此外，AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鍵合，因此結(jié)合強(qiáng)度高，可靠性好。但是該方法成本較高，合適的活性焊料較少，且焊料成分與工藝對(duì)焊接質(zhì)量影響較大，目前只有少數(shù)國(guó)外企業(yè)掌握了AMB基板量產(chǎn)技術(shù)。

涉及到的陶瓷材料

目前，已作為陶瓷覆銅板基板材料共有三種陶瓷，分別是氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板。氧化鋁基陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，由于它具有好的絕緣性、好的化學(xué)穩(wěn)定性、好的力學(xué)性能和低的價(jià)格，但由于氧化鋁陶瓷基片低的熱導(dǎo)率、與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好。作為高功率模塊封裝材料，氧化鋁材料的應(yīng)用前景不容樂(lè)觀。

氮化鋁基板具有高的熱導(dǎo)率和與硅、碳化硅材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，是較為理想的陶瓷基板材料。目前，氮化鋁陶瓷基板已經(jīng)成為高端功率模塊的首選陶瓷基板材料。然而，無(wú)論是氧化鋁還是氮化鋁陶瓷基板，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都相對(duì)較低，導(dǎo)致焊接無(wú)氧銅后在熱循環(huán)過(guò)程中易于開(kāi)裂，影響整個(gè)功率模塊的可靠性。

陶瓷覆銅基板的物理性能

氮化硅陶瓷具有2.4倍于氧化鋁和氮化鋁的抗彎強(qiáng)度，因此具有比氮化鋁高得多的可靠性，尤其是高強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)其與厚銅基板的覆接，大幅提高基板的熱性能。

同時(shí)，β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導(dǎo)率（200～320W/ｍ·K），但是其微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)聲子的散射較大，故熱導(dǎo)率較低，限制了其作為功率模塊基板材料的應(yīng)用。因此，目前更多的研究關(guān)注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。

小結(jié)

由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高，金屬與陶瓷界面應(yīng)力大，因此AMB技術(shù)越來(lái)越受到業(yè)界關(guān)注，特別是采用低溫活性焊料。博敏電子表示，目前國(guó)內(nèi)的IGBT模塊大部分還是采用DBC工藝，隨著工作電壓、性能要求的不斷提升，AMB工藝技術(shù)的陶瓷基板能更好地解決上述痛點(diǎn)，目前該技術(shù)不僅在汽車(chē)領(lǐng)域，還在航天、軌道交通、工業(yè)電網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

此外，制備活性焊料是AMB基板制備關(guān)鍵技術(shù)，博敏電子自研的釬焊料具備更高可靠的性能，可達(dá)到1000次冷熱沖擊測(cè)試，滿(mǎn)足航空航天的性能要求。相比于DBC工藝的陶瓷襯板，具備更高的導(dǎo)熱性、可靠性，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于IGBT功率半導(dǎo)體。

參考來(lái)源：

[1]程浩等.電子封裝陶瓷基板

[2]陸琪等.陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展

[3]趙東亮等.功率模塊用陶瓷覆銅基板研究進(jìn)展