功率電子器件在電力存儲(chǔ),電力輸送,電動(dòng)汽車,電力機(jī)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(huì)產(chǎn)生大量的熱。如果這些熱量不能及時(shí)有效地發(fā)散出去,功率電子器件的工作性能將會(huì)受到影響,嚴(yán)重的話,功率電子器件本身會(huì)被破損。這就要求擔(dān)負(fù)絕緣和散熱功能的陶瓷基板必須具備卓越的機(jī)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(jī)械性能,AMB Si3N4陶瓷基板備受矚目。
1、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?C之間利用Cu-Cu2O共晶液相潤(rùn)濕兩材料接觸面,并生成CuAlO2化合物達(dá)成陶瓷與銅鍵合。
圖 Al2O3 DBC、AlN DBC 和 Si3N4 AMB的橫截面
然而Si3N4與銅之間不會(huì)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(rùn)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。
2、AMB Si3N4 的生產(chǎn)流程
AMB工藝技術(shù)是DBC工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。AMB 工藝制程與 DCB 工藝制程總體一致,區(qū)別主要在銅箔處置清洗后設(shè)置了焊料印刷/焊片貼附工序且在蝕刻去膜工段內(nèi)設(shè)置了焊料蝕刻工序。根據(jù)焊接物料形態(tài)不同,AMB 基板總體分為焊料 AMB 基板及焊材(焊片)AMB 基板,目前主要分為放置銀銅鈦焊片和印刷銀銅鈦焊膏兩種。以印刷銀銅鈦焊膏為例,工藝流程如下圖所示。
圖 AMB氮化硅覆銅板制備工藝流程圖
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、蝕刻及鍍Ni工藝制備出符合要求的AMB Si3N4 陶瓷基板。
3、AMB Si3N4 基板的特點(diǎn)
①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(qiáng)度比DBC更高、可靠度更好;
表 3種陶瓷基板材料的性能對(duì)比
②Si3N4陶瓷具有更高的熱導(dǎo)率(商用產(chǎn)品的典型值在80 到 90 W/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。
圖 陶瓷基板的彎曲強(qiáng)度與熱導(dǎo)率
③氮化硅具有優(yōu)異的機(jī)械性能(兼顧高彎曲強(qiáng)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(qiáng)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(dá)800μm)焊接到相對(duì)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。
圖 AMB陶瓷覆銅基板熱循環(huán)測(cè)試,熱循環(huán)次數(shù)Si3N4≥5000次,ALN≥1500次,AL2O3≥500次,ZTA(氧化鋯增強(qiáng)氧化鋁)≥1000次,來源:芯舟電子
4、AMB Si3N4 基板的應(yīng)用
AMB Si3N4具有高熱導(dǎo)率、高機(jī)械能、高載流能力以及低熱膨脹系數(shù),適用于 SiC MOSFET 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(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力車(HV)、軌道交通、光伏等領(lǐng)域。
圖源:Ferrotec
從性價(jià)比方面考慮,目前 450/600V 的車規(guī)級(jí) 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(shí)現(xiàn)更高的熱性能和穩(wěn)健性成為新趨勢(shì)。
圖 SiC MOSFET 功率模塊結(jié)構(gòu)示意圖,SiC芯片通過燒結(jié)銀連接至Si3N4 AMB基板,來源:Pressureless Silver Sintering of Silicon-Carbide Power Modules for Electric Vehicles,Won Sik Hong and etc.
圖 利普思半導(dǎo)體的 HPD 系列 SiC 功率模塊采用 Si3N4 AMB 基板
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:AMB Si3N4 陶瓷基板在高功率半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用
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