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(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，Si₃N₄-AMB陶瓷基板備受矚目。

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℃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。

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。

Si₃N₄-AMB的生產流程

AMB工藝根據釬焊料不同，目前主要分為放置銀銅鈦焊片和印刷銀銅鈦焊膏兩種。以后者為例，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、腐蝕及鍍Ni工藝制備出符合要求的氮化硅AMB覆銅板。

在AMB工藝中，利用Ti等過渡金屬與Ag、Cu等元素形成合金焊料，具有很強的化學活性，能夠與氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等發(fā)生反應，促使熔融焊料潤濕陶瓷表面，完成氮化硅與無氧銅的連接?；钚栽豑i與氮化硅陶瓷反應的主要產物是TiN和TiAl₃。

但這兩種方法都存在一定局限。首先，焊片工藝所用的銀銅鈦焊片在制備過程中容易出現活性元素Ti的氧化、偏析問題，導致成材率極低，焊接接頭性能較差。對于焊膏工藝，在高真空中加熱時有大量有機物揮發(fā)，導致釬焊界面不致密，出現較多空洞，使得基板在服役過程中易出現高壓擊穿、誘發(fā)裂紋的問題。

而在通過AMB工藝制備氮化硅覆銅基板的過程中，對Si₃N₄陶瓷和銅片進行除油和除氧化處理、提供較高的真空釬焊環(huán)境是目前公知的降低界面空洞率的方法。焊接壓力是空洞率最主要的影響因素，適當加壓不僅可以使母材與焊料形成緊密的接觸，有利于接觸反應熔化的進行，而且可以增強熔化焊料的流動性，擠出釬焊界面的氣體，從而降低空洞率。

此外，真空+氮氣的焊接氣氛比真空氣氛更有利于降低焊接空洞率，這對AMB工藝也有一定啟發(fā)作用，不過需要注意的是氮氣在高溫下可能會和Ti發(fā)生化學反應，其他惰性氣體(氦氣、氬氣等)可能更適用于AMB工藝。

Si₃N₄-AMB基板的特點

● 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；

● Si₃N₄陶瓷具有更高的熱導率（商用產品的典型值在80到90W/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。

● 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。

Si₃N₄-AMB基板的應用

Si₃N₄-AMB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SiCMOSFET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。

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(wěn)健性成為新趨勢。