Si3N4-AMB在高功率半导体器件中的应用

电力电子器件越来越广泛地应用于蓄电、输电、电动汽车、电力机车等众多工业领域。随着电力电子器件本身的不断高功率、高集成度，芯片在工作过程中会产生大量的热量。如果热量不能及时有效地散发，将会影响电力电子装置的工作性能，严重时还会损坏电力电子装置本身。这就要求具有绝缘散热功能的陶瓷基板必须具有优良的机械性能和导热性能。由于氮化硅（Si3N4）陶瓷具有高导热性、抗热震性和良好的高温力学性能，Si3N4-AMB备受关注。

为什么要使用AMB工艺

目前功率半导体器件中使用的陶瓷基板多为DBC（Direct Bonded Copper）工艺，Al2O3和ZTA及AlN可以采用DBC技术与铜键合：表面有一层Cu2O层，Cu-Cu2O液态在1065~1083℃之间通过利用液体润湿两种材料接触面，并生成CuAlO2化合物来实现陶瓷与铜的粘接。

但Si3N4与铜之间不能形成Cu-Si-O化合物，因此活性金属钎焊（AMB）技术必须与铜结合，活性金属元素（Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等） .)可以利用陶瓷表面的特性进行润湿，通过活性金属钎焊将铜层焊接在Si3N4陶瓷板上。

Si3N4-AMB生产工艺

AMB工艺根据钎焊材料的不同，主要分为放置银铜钛焊垫和印刷银铜钛焊膏两种。后来，例如，首先将Ag、Cu、Ti元素以粉末形式直接混合到浆料中，利用丝网印刷技术将Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上，利用热压技术将铜箔层压在焊料上，最后通过烧结、光刻、腐蚀和镀Ni工艺制备出符合要求的Si3N4 AMB板。

Si3N4-AMB生产工艺

在AMB工艺中，采用Ti等过渡金属与Ag、Cu等元素形成合金焊料，其化学活性很强，可以与氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷发生反应，促使熔融焊料润湿陶瓷表面并完成氮化硅与无氧铜的连接。活性元素Ti与氮化硅陶瓷反应的主要产物是TiN和TiAl 3 。

然而，这两种方法都有一些局限性。首先，圆片工艺使用的银铜钛焊条在制备过程中容易出现活性元素Ti的氧化和偏析，导致成品率很低，焊接接头性能较差。对于焊膏工艺来说，在高真空下加热时有机物大量挥发，导致钎焊界面不致密，孔洞较多，使得基体在使用过程中容易发生高压击穿和开裂。

在采用AMB工艺制备氮化硅铜结合基片的过程中，去除Si3N4陶瓷和铜片的油污和氧化、提供高真空钎焊环境是降低界面空洞率的众所周知的方法。焊接压力是影响空洞率的最重要因素。适当的压力不仅可以使母材与焊料形成紧密接触，有利于接触反应的熔化，而且可以增强熔化焊料的流动性，挤出钎焊界面处的气体，从而减少空洞率。

另外，真空+氮气的焊接气氛比真空气氛更有利于降低焊接空洞率，这对AMB工艺也有一定的启发，但需要注意的是，氮气在高温下可能会与Ti发生反应，并且其他惰性气体（氦气、氩气等）可能更适合 AMB 工艺。

Si3N4-AMB的特性

• 由于焊料/电极的作用，AMB基板比DCB的铜和陶瓷具有更好的结合力，结合强度比DBC更高，更可靠。
• Si3N4陶瓷具有较高的导热系数（商业产品的典型值在80至90W/m.K），与氧化铝基板或ZTA基板相比，具有三倍以上的导热系数，热膨胀系数（2.4ppm/K）小，靠近半导体芯片（Si、SiC），具有良好的热匹配性。

AMB基板热阻比较

• 氮化硅具有优异的机械性能（既有高弯曲强度又有高断裂韧性，与氧化铝基材或氮化铝基材相比，弯曲强度约为两倍），因此具有高冷热冲击性能（高可靠性），可以很厚的铜金属（厚度可达800um）焊接到相对较薄的氮化硅陶瓷上。因此载流能力比较高，传热性能也很好。

Si3N4-AMB衬底的应用

Si3N4-AMB具有高导热率、高机械能、高负载能力和低热膨胀系数。适用于SICMOSFET功率模块、大功率IGBT模块等高温大功率半导体电子器件，应用于电动汽车（EV）和混合动力汽车（HV）、轨道交通、光伏等领域。 

从性价比来看，目前450/600V IGBT模块多用DBC陶瓷基板，800V及以上功率则采用AMB陶瓷基板。 SiC由于功率器件集成度和功率密度的明显提高，相应工作时产生的热量急剧增加，因此采用Si3N4-AMB衬底来实现更高的热性能和鲁棒性成为新的趋势。

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