絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是在金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）和雙極晶體管的基礎上發(fā)展起來的一種新型復合功率器件，具有輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區(qū)大和可耐高電壓和大電流等一系列優(yōu)點，大規(guī)模應用于電動汽車、電力機車里的電機驅(qū)動以及并網(wǎng)技術(shù)、儲能電站、工業(yè)領域的高壓大電流場合的交直流電轉(zhuǎn)換和變頻控制等領域，是電力電子領域中最重要的大功率器件，是綠色經(jīng)濟的核“芯”。
陶瓷電路板散熱、載流能力突出，廣泛應用于大功率場景。陶瓷基板又稱陶瓷電路板，由陶瓷基片和布線金屬層兩部分組成。普通PCB 通常是由銅箔和基板粘合而成，而基板材質(zhì)大多數(shù)為玻璃纖維（FR-4），酚醛樹脂（FR-3）等材質(zhì)，粘合劑通常是酚醛、環(huán)氧等。在 PCB 加工過程中由于熱應力、化學因素、生產(chǎn)工藝不當?shù)仍?，或設計過程中由于兩面鋪銅不對稱，很容易導致PCB 板發(fā)生不同程度的翹曲。
陶瓷 PCB 在基板材質(zhì)和覆銅方式上均具備優(yōu)勢。材質(zhì)上，陶瓷基板由于散熱性能、載流能力、絕緣性、熱膨脹系數(shù)等，都要優(yōu)于普通的玻璃纖維PCB 板材，從而被廣泛應用于大功率電力電子模塊、航空航天、軍工電子等產(chǎn)品上；覆銅方式上，陶瓷 PCB 是在高溫環(huán)境下，通過高/低溫共燒、鍍銅、覆銅等方式把銅箔和陶瓷基片拼合在一起，結(jié)合力強、銅箔不易脫落、可靠性高，在溫度高、濕度大的環(huán)境下性能穩(wěn)定。因此，陶瓷襯板能在 IGBT 中能起到較好的機械支撐+電路互聯(lián)+電氣絕緣+散熱通路的功能。
隨著我國新能源汽車、高鐵、城市軌道交通以及智能電網(wǎng)的高速發(fā)展，對高壓大功率IGBT模塊的需求日益增長。由于GBT輸出功率高、發(fā)熱量大，芯片散熱不良將導致IGBT模塊失效。據(jù)報道，約70%的IGBT模塊失效歸因于散熱不良引起的鍵合線剝離或熔斷。芯片的散熱主要通過IGBT模塊中的陶瓷基板來實現(xiàn)，其作用是吸收芯片的產(chǎn)熱并傳導至熱沉上，從而實現(xiàn)芯片與外界之間的熱交換。
Si3N4陶瓷基板更多采用 AMB 工藝
根據(jù)材料分類，國內(nèi)常用陶瓷基板材質(zhì)主要為 Al2O3、AlN 和Si3N4：
1）氧化鋁（Al2O3）最常用。因為在機械、熱、電性能上相對于大多數(shù)其他氧化物陶瓷，強度及化學穩(wěn)定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。
2）氮化鋁（AlN）導熱率較高。氮化鋁陶瓷是以氮化鋁粉體為主晶相的陶瓷。相比于氧化鋁陶瓷基板，絕緣電阻、絕緣耐壓更高，介電常數(shù)更低。其熱導率是Al2O3 的 7-10 倍，熱膨脹系數(shù)（CTE）與硅片近似匹配。
3）氮化硅（Si3N4）可靠性優(yōu)秀。氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)（2.4ppm/K）較小，與硅芯片（4ppm/K）接近。氮化硅基板具有較高的熱導率、抗彎強度大，其機械性能具有優(yōu)異的耐高溫性能、散熱特性和超高的功率密度。此外，載流能力較高，而且傳熱性也非常好。
根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)和應用要求，陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。再根據(jù)實現(xiàn)陶瓷基板覆銅后再刻蝕的不同工藝，當前較普遍的陶瓷散熱基板分為 HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB 等。AMB 工藝因可靠性更優(yōu)，逐漸成為主流應用。其中 Al2O3陶瓷基板主要采用 DBC 工藝，AlN 陶瓷基板主要采用DBC 和AMB工藝，Si3N4陶瓷基板更多采用 AMB 工藝。
AMB（Active Metal Brazing，活性金屬釬焊）工藝技術(shù)是DBC（Direct Bond Copper，直接覆銅）工藝技術(shù)的進一步發(fā)展。
AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接?；钚院噶贤ㄟ^在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備，由于稀土元素具有高活性，可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性，使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現(xiàn)焊接。
AMB基板制備技術(shù)是DBC基板工藝的改進(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合，而AMB基板采用活性焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合)，通過選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C)，進而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應力。
目前國內(nèi)的IGBT模塊大部分還是采用DBC工藝，隨著工作電壓、性能要求的不斷提升，AMB工藝技術(shù)的陶瓷基板能更好地解決上述痛點，目前該技術(shù)不僅在汽車領域，還在航天、軌道交通、工業(yè)電網(wǎng)領域廣泛應用。
AMB 氮化硅基板是第三代 SiC 半導體功率器件首選
一方面，AMB 氮化硅基板具有較高的熱導率（>90W/mK），厚銅層（達 800μm）還具有較高熱容量以及傳熱性。因此，對于對高可靠性、散熱以及局部放電有要求的汽車、風力渦輪機、牽引系統(tǒng)和高壓直流傳動裝置等來說，AMB 氮化硅基板是首選的基板材料。
另一方面，AMB 可將非常厚的銅金屬（厚度可達 0.8mm）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。此外，氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第 3 代半導體襯底SiC 晶體接近，使其能夠與 SiC 晶體材料匹配更穩(wěn)定。
氮化硅是國內(nèi)外公認兼具高導熱、高可靠性等綜合性能最好的陶瓷基板材料，這使氮化硅成為第 3 代SiC 半導體功率器件高導熱基板材料的首選。據(jù)統(tǒng)計，當前 600V 以上功率半導體所用的陶瓷基板主要采用 DBC 和 AMB 工藝，其中 AMB 工藝 Si3N4陶瓷基板主要用于電動汽車（EV）和混合動力車（HV）功率半導體，AMB 工藝 AIN 陶瓷基板主要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導體。
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