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Si3N4基材的陶瓷板在高功率半导体模块中的应用-Yusite

2024-03-29

电力电子器件广泛应用于许多工业领域,如储能、输电、电动汽车、电力机车等。随着电力电子器件的不断大功率和高集成度,芯片在工作过程中会产生大量的热量。如果热量不能得到及时有效的散发,电力电子器件的工作性能就会受到影响,严重时会损坏电力电子器件本身。这就要求具有绝缘和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)陶瓷的高热导率、抗热震性和良好的力学性能,AMB Si3N4陶瓷基板备受关注。


1、Si3N4 为何要用AMB工艺

目前,用于功率半导体器件的陶瓷基板大多采用DBC(直接键合铜)工艺。Al2O3、ZTA、AlN等氧化物陶瓷可通过DBC技术与铜结合:无氧铜热氧化或化学氧化,在表面生成Cu2O层,在1065 ~ 1083℃之间,两种材料的接触面被Cu-Cu2O共晶液相润湿,生成CuAlO2化合物,使陶瓷与铜结合。


但是Si3N4与铜之间不会形成Cu-Si-O化合物,所以必须采用活性金属钎焊(AMB)技术与铜结合,利用活性金属元素(Ti,Zr,Ta,Nb,V,Hf等)在Si3N4陶瓷板上钎焊铜层。)可以湿润陶瓷表面。


2、AMB Si3N4 的生产流程


AMB技术是DBC技术的进一步发展。AMB工艺与DCB工艺大体一致,主要区别在于铜箔经过处理和清洗后,设置了焊锡印刷/焊膏工艺,在蚀刻和脱膜部分设置了焊锡蚀刻工艺。根据焊接材料形式的不同,AMB基板一般分为焊料AMB基板和焊接材料(焊接件)AMB基板。目前主要分为放置银铜钛焊片和印刷银铜钛焊膏两种。以印刷银铜钛焊膏为例,工艺流程如下图所示。

AMB Si3N4 的生产流程.png

图 氮化硅覆铜板制备工艺流程图


首先将Ag、Cu、Ti元素直接以粉末形式混合制成浆料,采用丝网印刷技术将Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上,再利用热压技术将铜箔层压在焊料上,最后通过烧结、光刻、蚀刻及镀Ni工艺制备出符合要求的AMB Si3N4 陶瓷基板。


3、AMB Si3N4 基板的特点


①由于焊料/焊片的作用,可使 AMB 基板较 DCB 基板的铜、瓷片间键合得更紧密,粘合强度比DBC更高、可靠度更好

②Si3N4陶瓷具有更高的热导率(商用产品的典型值在80 到 90 W/mK ),和氧化铝基板或ZTA基板相比、拥有三倍以上的热导率,热膨胀系数(2.4ppm/K)较小,与半导体芯片(Si、SiC)接近,具有良好的热匹配性。

热膨胀系数.png


图 陶瓷基板的弯曲强度与热导率

4、AMB Si3N4 基板的应用


AMB Si3N4具有高热导率、高机械能、高载流能力和低热膨胀系数,适用于SiC MOSFET功率模块、大功率IGBT模块等高温大功率半导体电子器件的封装材料,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。


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图源:Ferrotec


考虑到性价比,目前DBC陶瓷基板多用于450/600V IGBT模块,AMB陶瓷基板用于800V及更高功率。随着SiC功率器件集成度和功率密度的明显提高,相应工作产生的热量大大增加。采用Si3N4 AMB衬底以获得更高的热性能和鲁棒性是一个新的趋势。