第三代半导体(氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等)的崛起和发展推动了功率器件尤其是半导体器件不断走向大功率,小型化,集成化和多功能方面前进,对封装基板性能提升起到了很大的促进作用。

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用
图源自网络

陶瓷基板也是陶瓷电路板在电子器件封装中得到广泛应用,主要是由于陶瓷基板具有高热导率、耐高温、较低的热膨胀系数、高的机械强度、耐腐蚀以及绝缘性好、抗辐射的优点。

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用
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陶瓷基板按照工艺分有很多种,除了直接键合铜(DBC)法、直接电镀铜(DPC)法、激光活化金属(LAM)法、低温共烧陶瓷(LTCC)、高温共烧陶瓷(HTCC)之外,还有目前备受关注的AMB法技术,即活性金属钎焊技术

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用
 AMB陶瓷基板 图源自网络

一、什么是活性金属钎焊技术?

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用

AMB工艺流程 图源自网络

活性焊铜工艺(AMB)是DBC工艺技术的进一步发展,工作原理为:在钎焊电子浆料中加入少量的活性元素(Ti,Zr,V,Cr等),采用丝印技术印刷到陶瓷基板上,其上覆盖无氧铜后放到真空钎焊炉内进行烧结,然后刻蚀出图形制作电路,最后再对表面图形进行化学镀。使用AMB技术制备的陶瓷覆铜板结构如图下图所示。

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用

AMB工艺的陶瓷覆铜板结构图

二、AMB陶瓷基板的技术特点

AMB技术是在DBC(直接覆铜法)技术的基础上发展而来的。相比于传统的DBC基板,采用AMB工艺制备的陶瓷基板,不仅具有更高的热导率、更好的铜层结合力,而且还有热阻更小、可靠性更高等优势。

三、AMB陶瓷基板按材质分类

根据陶瓷材质的不同,目前成熟应用的AMB陶瓷基板可分为:氧化铝、氮化铝和氮化硅基板。

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用

三种材料的部分性能对照表

3.1 AMB氧化铝基板
 
 AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用
图源自网络

基于氧化铝板材来源广泛、成本最低,是当前性价比最高的AMB陶瓷基板,其工艺也最为成熟。但由于氧化铝陶瓷的热导率低、散热能力有限,AMB氧化铝基板多用于功率密度不高且对可靠性没有严格要求的领域。

3.2 AMB氮化铝基板

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用

图源自网络

AMB基板具有较高的散热能力,从而更适用于一些高功率、大电流的工作环境。但是由于机械强度相对较低,氮化铝AMB覆铜基板的高低温循环冲击寿命有限,从而限制了其应用范围。氮化铝AMB基板具有较高的散热能力,从而更适用于一些高功率、大电流的工作环境。但是由于机械强度相对较低,氮化铝AMB覆铜基板的高低温循环冲击寿命有限,从而限制了其应用范围。

3.2 AMB氮化硅基板

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用


图源自贺利氏官网


氮化硅陶瓷的热膨胀系数(2.4ppm/K)较小,与硅芯片(4ppm/K)接近;AMB氮化硅基板具有较高的热导率(>90W/mK)。AMB-Si3N4基板结合的机械性能具有优异的耐高温性能、散热特性和超高的功率密度。

对于对高可靠性、散热以及局部放电有要求的汽车、风力涡轮机、牵引系统和高压直流传动装置等来说,AMB氮化硅基板可谓其首选的基板材料。此外,载流能力较高,而且传热性也非常好。
 
四、AMB陶瓷基板的应用

与DBC陶瓷基板相比,AMB陶瓷基板具有更高的结合强度和冷热循环特性。目前,随着电力电子技术的高速发展,高铁上的大功率器件控制模块对IGBT模块封装的关键材料——陶瓷覆铜板形成巨大需求,尤其是AMB基板逐渐成为主流应用。

AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用

图源自京瓷官网

日本京瓷采用活性金属焊接工艺制备出了氮化硅陶瓷覆铜基板,其耐温度循环(-40~125℃)达到5000次,可承载大于300A的电流,已用于电动汽车、航空航天等领域。该产品采用活性金属焊接工艺将多层无氧铜与氮化硅陶瓷键合,同时采用铜柱焊接实现垂直互联,对IGBT模块小型化、高可靠性等要求有较好的促进作用。

另外,在大功率电力半导体模块、高频开关、风力发电、新能源汽车、动力机车、航空航天等应用领域取得了进展。

AMB基板是靠陶瓷与活性金属焊膏在高温下进行化学反应来实现结合,因此其结合强度更高,可靠性更好。但是由于该方法成本较高、合适的焊料较少、焊料对于焊接的可靠性影响较大,只有少数美日中几家公司掌握了高可靠活性金属焊接技术。

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原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):AMB活性金属焊接陶瓷基板的性能及其应用

作者 duan, yu