中國粉體網訊 近日，博敏電子在互動平臺表示，公司IGBT陶瓷基板屬于新的AMB工藝技術，對比DBC，AMB更具導熱性、耐熱性、耐沖擊。公司配合車廠進行國產化替代，該陶瓷基板也逐步應用于新能源汽車的IGBT模塊上。
散熱和可靠性是IGBT必須解決的關鍵問題
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是在金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）和雙極晶體管的基礎上發展起來的一種新型復合功率器件，具有輸入阻抗大、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區大和可耐高電壓和大電流等一系列優點，大規模應用于電動汽車、電力機車里的電機驅動以及并網技術、儲能電站、工業領域的高壓大電流場合的交直流電轉換和變頻控制等領域，是電力電子領域中最重要的大功率器件，是綠色經濟的核“芯”。
但由于IGBT技術門檻較高，國內芯片和封裝技術一直沒有獲得很好的突破，導致國內IGBT市場一直被歐美日等企業所壟斷。當今國際上IGBT模塊技術已經發展到了第五代，除了芯片技術外，封裝技術也非常關鍵，新的封裝材料和新的封裝技術層出不窮。對于軌道交通、電動汽車用的高壓、大電流、高功率IGBT模塊來說，散熱和可靠性是其必須解決的關鍵問題。
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，在含氧的氮氣中加熱，使銅箔和陶瓷基板通過共晶鍵合的方式牢固結合在一起，其鍵合強度高且具有良好的導熱性和熱穩定性。
2018年，王彩霞等人在預氧化溫度為600℃、時間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合，有效提高了DBC基板的結合性能。
DBC陶瓷基板制備工藝流程
DBC具有導熱性好、絕緣性強、可靠性高等優點，已廣泛應用于IGBT、LD和CPV封裝。DBC缺點在于，其利用了高溫下Cu與Al2O3間的共晶反應，對設備和工藝控制要求較高，基板成本較高；由于Al2O3與Cu層間容易產生微氣孔，降低了產品抗熱沖擊性；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；同時由于采用化學腐蝕工藝，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現銅箔與陶瓷基片間的焊接。活性焊料通過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陶瓷的潤濕性，使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現焊接。
AMB陶瓷基板產品及其(b)截面圖
AMB基板制備技術是DBC基板工藝的改進(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現銅箔與陶瓷基片間鍵合)，通過選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C)，進而降低陶瓷基板內部熱應力。
此外，AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發生化學反應實現鍵合，因此結合強度高，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焊接質量影響較大，目前只有少數國外企業掌握了AMB基板量產技術。
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、好的化學穩定性、好的力學性能和低的價格，但由于氧化鋁陶瓷基片低的熱導率、與硅的熱膨脹系數匹配不好。作為高功率模塊封裝材料，氧化鋁材料的應用前景不容樂觀。
氮化鋁基板具有高的熱導率和與硅、碳化硅材料相匹配的熱膨脹系數，是較為理想的陶瓷基板材料。目前，氮化鋁陶瓷基板已經成為高端功率模塊的首選陶瓷基板材料。然而，無論是氧化鋁還是氮化鋁陶瓷基板，其抗彎強度和斷裂韌性都相對較低，導致焊接無氧銅后在熱循環過程中易于開裂，影響整個功率模塊的可靠性。
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度，因此具有比氮化鋁高得多的可靠性，尤其是高強度可以實現其與厚銅基板的覆接，大幅提高基板的熱性能。
同時，β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導率（200～320W/ｍ·K），但是其微觀結構更為復雜，對聲子的散射較大，故熱導率較低，限制了其作為功率模塊基板材料的應用。因此，目前更多的研究關注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導率。
小結
由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高，金屬與陶瓷界面應力大，因此AMB技術越來越受到業界關注，特別是采用低溫活性焊料。博敏電子表示，目前國內的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工藝技術的陶瓷基板能更好地解決上述痛點，目前該技術不僅在汽車領域，還在航天、軌道交通、工業電網領域廣泛應用。
此外，制備活性焊料是AMB基板制備關鍵技術，博敏電子自研的釬焊料具備更高可靠的性能，可達到1000次冷熱沖擊測試，滿足航空航天的性能要求。相比于DBC工藝的陶瓷襯板，具備更高的導熱性、可靠性，產品可廣泛應用于IGBT功率半導體。
參考來源：
[1]程浩等.電子封裝陶瓷基板
[2]陸琪等.陶瓷基板研究現狀及新進展
[3]趙東亮等.功率模塊用陶瓷覆銅基板研究進展
