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氮化硅AMB基板:新能源汽車SiC功率模塊的首選工藝

370 2023-02-27
氮化硅AMB基板

      如今,SiC“上車”已成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)難以繞開的話題,諸多半導(dǎo)體企業(yè)在碳化硅上“卷”了起來。SiC在高壓+長續(xù)航平臺有先天性能優(yōu)勢。

      目前IGBT封裝主要采用DBC陶瓷基板,DBC陶瓷基板是通過共晶鍵合法制備而成,銅和陶瓷之間沒有粘結(jié)材料,在高溫服役過程中,往往會因為銅和陶瓷(Al2O3或AlN)之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,從而導(dǎo)致銅層從陶瓷表面剝離,因此傳統(tǒng)的DBC陶瓷基板已經(jīng)難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求。

AMB基板

      Si3N4-AMB基板技術(shù)實現(xiàn)了氮化鋁和氮化硅陶瓷與銅片的覆接,可大幅提高陶瓷基板可靠性,逐步成為中高端IGBT模塊散熱電路板主要應(yīng)用類型。目前以Si基為主的IGBT模塊在具有高導(dǎo)熱性、高可靠性、高功率等要求、對成本不敏感的軌道交通、工業(yè)級、車規(guī)級領(lǐng)域正逐漸采用Si3N4-AMB陶瓷襯板替代原有的DBC陶瓷襯板,Si3N4-AMB基板是SiC器件封裝基板的首選。

      Ferrotec統(tǒng)計顯示,采用AMB工藝的氮化硅陶瓷基板(Si3N4-AMB)主要應(yīng)用在電動汽車(EV)和混合動力車(HV)功率半導(dǎo)體中。Si3N4-AMB陶瓷基板具有高熱導(dǎo)率、高載流能力以及低熱膨脹系數(shù),性能優(yōu)越有望成為IGBT和SiC功率器件基板應(yīng)用新趨勢:

● 高熱導(dǎo)率、高載流能力:Si3N4-AMB陶瓷基板熱導(dǎo)率高于90W/mk,厚銅層具有較高熱容量以及傳熱性,同時AMB工藝可將厚銅金屬(800μm)焊接到相對較薄的氮化硅陶瓷上,形成高載流能力;

● 低熱膨脹系數(shù):Si3N4-AMB陶瓷基板熱膨脹系數(shù)為2.4ppm/K,與硅芯片(4ppm/K)接近,具有良好的熱匹配性,適用于裸芯片的可靠封裝。


AMB基板的熱阻比較

      碳化硅車型滲透率預(yù)計2024年快速提升,新能源汽車領(lǐng)域成為Si3N4-AMB陶瓷基板最大需求領(lǐng)域:全球碳化硅模塊用量最多的是特斯拉,Model3開始全系標配碳化硅MOSFET模塊替代IGBT作為逆變器功率器件,碳化硅模塊都必須采用Si3N4-AMB的陶瓷封裝材料。

      據(jù)估計,目前一塊標準襯板單價為400元左右,預(yù)計2027年預(yù)計全球采用SiC車型將達到1032萬輛,考慮到未來降價至300元左右,預(yù)計2027年SiC車規(guī)市場規(guī)模將達到34.3億元。如果750V以上車規(guī)級IGBT模塊也進行替換,預(yù)計車規(guī)級電控模塊所需Si3N4-AMB基板市場空間達到50億元左右。

Si3N4-AMB基板制備流程

      AMB工藝根據(jù)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(wǎng)印刷技術(shù)將Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上,再利用熱壓技術(shù)將銅箔層壓在焊料上,最后通過燒結(jié)、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(xué)活性,能夠與氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等發(fā)生反應(yīng),促使熔融焊料潤濕陶瓷表面,完成氮化硅與無氧銅的連接。活性元素Ti與氮化硅陶瓷反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiN和TiAl3。


AMB板制備流程

      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(xiàn)活性元素Ti的氧化、偏析問題,導(dǎo)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(dǎo)致釬焊界面不致密,出現(xiàn)較多空洞,使得基板在服役過程中易出現(xiàn)高壓擊穿、誘發(fā)裂紋的問題。此外,釋放的有機揮發(fā)物會污染真空腔體和泵組管道,影響分子泵的使用壽命。

      據(jù)此,李伸虎等創(chuàng)新地提出了銀銅鈦焊膏的預(yù)脫脂釬焊工藝,可以在保護高真空設(shè)備的同時,顯著降低Si3N4陶瓷-銅的界面空洞率。

      此外,AMB工藝還還存在一些短板,其技術(shù)實現(xiàn)難度要比DBC、DPC兩種工藝大很多,對技術(shù)要求高,且在良率、材料等方面還有待進一步完善,這使得該技術(shù)目前的實現(xiàn)成本還比較高。

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