Si3N4為何要用AMB工藝？AMB Si3N4的生產(chǎn)流程介紹

功率電子器件在電力存儲，電力輸送，電動汽車，電力機車等眾多工業(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產(chǎn)生大量的熱。如果這些熱量不能及時有效地發(fā)散出去，功率電子器件的工作性能將會受到影響，嚴重的話，功率電子器件本身會被破損。這就要求擔(dān)負絕緣和散熱功能的陶瓷基板必須具備卓越的機械性能和導(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共晶液相潤濕兩材料接觸面，并生成CuAlO2化合物達成陶瓷與銅鍵合。

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

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，粘合強度比DBC更高、可靠度更好；

表 3種陶瓷基板材料的性能對比

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 陶瓷基板的彎曲強度與熱導(dǎo)率

③氮化硅具有優(yōu)異的機械性能（兼顧高彎曲強度和高斷裂韌度，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800μm）焊接到相對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)測試，熱循環(huán)次數(shù)Si3N4≥5000次，ALN≥1500次，AL2O3≥500次，ZTA(氧化鋯增強氧化鋁）≥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)用于電動汽車（EV）和混合動力車（HV）、軌道交通、光伏等領(lǐng)域。

圖源：Ferrotec

從性價比方面考慮，目前 450/600V 的車規(guī)級 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 基板以實現(xiàn)更高的熱性能和穩(wěn)健性成為新趨勢。

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