AMB活性金屬焊接陶瓷基板的性能及應用

第三代半導體氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）的崛起和發(fā)展推動了功率器件尤其電力電子器件朝著大功率、小型化、集成化、多功能方向不斷發(fā)展，對封裝基板的性能要求越來越高。陶瓷基板由于兼具高熱導率、高耐溫、高絕緣耐壓、低熱膨脹系數(shù)、高機械強度、耐腐蝕等優(yōu)勢，在功率器件封裝中得到廣泛應用，芯片性能的提升也推動芯片基板的性能不斷向前發(fā)展。

AMB陶瓷基板

目前的陶瓷基板按照工藝劃分有多種類型，除了發(fā)展已久的直接鍵合銅（DBC）基板、直接電鍍銅(DPC)基板、激光活化金屬(LAM)基板、低溫共燒陶瓷基板（LTCC）、高溫共燒陶瓷基板（HTCC）外，還有目前備受關注的活性金屬釬焊（AMB）陶瓷基板。

什么是活性金屬釬焊技術？

AMB活性金屬釬焊覆銅工藝是DBC工藝技術的進一步發(fā)展，通過往釬料中添加少量能與陶瓷反應的活性元素得到能直接釬焊陶瓷的活性金屬釬料，從而實現(xiàn)陶瓷與銅的釬焊接合。AMB的整個釬焊工藝過程與常規(guī)釬焊并無不同，包括組裝“陶瓷/焊料/銅”的三明治結(jié)構(gòu)、高溫釬焊兩個環(huán)節(jié)，重點在于所用的釬料以及大面積釬焊的工藝控制，得到AMB陶瓷覆銅板后再通過與PCB板類似的濕法蝕刻和鍍覆工藝得到AMB陶瓷線路板。

AMB工藝流程

AMB和DBC的比較

AMB與DBC主要區(qū)別在于AMB工藝的陶瓷和銅之間有活性焊料填充，界面空洞控制更好，界面結(jié)合強度高，可靠性好，且釬焊工藝不挑陶瓷。

DBC技術的結(jié)合邏輯在于銅Cu與陶瓷中氧O的反應，因此只能直接適用于氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯摻雜氧化鋁(也稱為HPS)的氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷如氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si3N4)必須先預氧化，然后才能通過DBC技術與銅鍵合。氮化鋁(AlN)采用DBC或AMB工藝的均比較常見，而氮化硅(Si3N4)采用DBC工藝的比較少見，這是由于AMB工藝的可靠性遠高于DBC工藝，能更大程度的發(fā)揮力學性能更佳的氮化硅陶瓷的潛力。

AMB陶瓷基板按材質(zhì)分類

根據(jù)陶瓷材質(zhì)的不同，目前成熟應用的AMB陶瓷基板可分為：氧化鋁、氮化鋁和氮化硅基板，根據(jù)不同陶瓷的性能、價格差異應用于不同的領域。

AMB工藝流程

① 氧化鋁AMB基板

氧化鋁陶瓷來源廣泛、成本最低，是當前性價比最高的AMB陶瓷基板，其工藝也最為成熟，但由于其熱導率低，散熱能力有限，多用于功率密度不高且對可靠性沒有嚴格要求的領域。

② 氮化鋁AMB基板

氮化鋁的熱導率遠高于氧化鋁和氮化硅，其導熱能力極佳，能很好的匹配一些高功率、大電流工作環(huán)境的散熱要求。但是由于其機械強度相對較低，氮化鋁AMB基板的耐溫度沖擊能力較差，其失效往往發(fā)生在陶瓷本身，無法長時間應用于溫變劇烈的嚴苛工作環(huán)境中，從而大大限制了其應用范圍。

③ 氮化硅AMB基板

氮化硅陶瓷的綜合性能極佳，其熱膨脹系數(shù)（2.4ppm/K）較小，與半導體芯片材料（Si/SiC）接近；其熱導率（>90W/mK）雖然不如AlN，但力學性能大大優(yōu)于AlN，可以在保證高可靠性的前提下覆載更厚的銅以應對高載流要求。氮化硅通過陶瓷厚度做薄的方式也能兼顧散熱能力和可靠性，在嚴苛的工作環(huán)境或可靠性要求高的領域通常會選用氮化硅AMB基板，如高可靠性、散熱以及局部放電要求的汽車、風力渦輪機、軌道機車牽引系統(tǒng)、高壓直流傳動裝置等。

AMB陶瓷基板的應用

與DBC陶瓷基板相比，AMB陶瓷基板具有更高的結(jié)合強度和耐冷熱沖擊特性，可靠性測試數(shù)據(jù)表明，冷熱沖擊測試下（-55-150℃，高低溫各停留15分鐘，轉(zhuǎn)換時間＜30s），Si3N4的循環(huán)壽命可達到5000次以上；AlN和Al2O3可達到數(shù)百次。

AMB陶瓷基板目前已在軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)等領域的功率器件/模塊封裝中成熟應用，受價格和產(chǎn)能的影響，整個市場應用還處于爬坡階段，尚未完全鋪開。我國已經(jīng)成為全球最大的功率半導體需求市場，隨著新能源汽車的深入發(fā)展，驅(qū)動IGBT和碳化硅功率器件/模塊快速發(fā)展，帶動國內(nèi)AMB陶瓷基板也在飛速發(fā)展。