Si3N4為何要用AMB工藝？AMB Si3N4的生產流程介紹

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領域得到越來越廣泛的應用。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生大量的熱。如果這些熱量不能及時有效地發散出去，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熱性能。由于氮化硅（Si3N4）陶瓷的高導熱性、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技術與銅接合：將無氧銅經熱氧化或化學氧化制程于表面產生一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 的生產流程

AMB工藝技術是DBC工藝技術的進一步發展。AMB 工藝制程與 DCB 工藝制程總體一致，區別主要在銅箔處置清洗后設置了焊料印刷/焊片貼附工序且在蝕刻去膜工段內設置了焊料蝕刻工序。根據焊接物料形態不同，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，采用絲網印刷技術將Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上，再利用熱壓技術將銅箔層壓在焊料上，最后通過燒結、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率（商用產品的典型值在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率，熱膨脹系數（2.4ppm/K）較小，與半導體芯片（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率

③氮化硅具有優異的機械性能（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測試，熱循環次數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 基板的應用

AMB Si3N4具有高熱導率、高機械能、高載流能力以及低熱膨脹系數，適用于 SiC MOSFET 功率模塊 、大功率IGBT模塊等高溫、大功率半導體電子器件的封裝材料，應用于電動汽車（EV）和混合動力車（HV）、軌道交通、光伏等領域。

圖源：Ferrotec

從性價比方面考慮，目前 450/600V 的車規級 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，相應工作產生的熱量極具增加，采用Si3N4 AMB 基板以實現更高的熱性能和穩健性成為新趨勢。

圖 SiC MOSFET 功率模塊結構示意圖，SiC芯片通過燒結銀連接至Si3N4 AMB基板，來源：Pressureless Silver Sintering of Silicon-Carbide Power Modules for Electric Vehicles，Won Sik Hong and etc.

圖 利普思半導體的 HPD 系列 SiC 功率模塊采用 Si3N4 AMB 基板

審核編輯：劉清