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新聞詳情

DBA直接覆鋁陶瓷基板:功率器件封裝材料來勢洶洶!!

15 2023-05-19
陶瓷基板

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種新型材料也不斷涌現(xiàn)。其中,直接覆鋁陶瓷基板(DBA基板)因其優(yōu)良的性能表現(xiàn)備受矚目,成為電子行業(yè)中備受關(guān)注的材料之一。今天,我們就來一起探討DBA基板的特點和應用前景。



DBA直接覆鋁陶瓷基板(Direct Bonding Aluminum Ceramic Substrate,簡稱DBA)是一種新型的電子材料,將會成為未來電子材料領(lǐng)域的新寵。特別的,隨著國內(nèi)新能源汽車超級快充站、智能電網(wǎng)、高壓光伏風電領(lǐng)域的迅速發(fā)展,對功率器件的高壓、高功率密度、強散熱等需求更加迫切,作為直接覆銅DCB陶瓷基板已不能滿足器件的散熱需求。

半導體大功率器件用陶瓷基板領(lǐng)域擁有全面的產(chǎn)品種類,客戶可以根據(jù)器件不同應用場合需求,滿足最優(yōu)產(chǎn)品類型及規(guī)格尺寸定制服務。


陶瓷基板種類

不同陶瓷基板性能趨勢

DBA直接覆鋁基板展示品

1、特性驗證對比


本文還將以AMB氮化硅覆銅陶瓷基板與DBA 氮化鋁覆鋁基板進行性能對比研究:


AMB氮化硅覆銅陶瓷載板主要采用活性金屬焊料作為連接中間層,在真空釬焊條件下實現(xiàn)Cu箔與陶瓷的鍵合,活性金屬焊料層能緩解銅與瓷片之間的熱應力,具有理想的可靠性與散熱性能;DBA直接覆鋁載板,是在高溫(高于660℃)條件下將鋁液直接與AlN陶瓷進行浸潤,經(jīng)冷卻后直接實現(xiàn)Al與AlN的鍵合,由于Al具有更低的強度,在冷熱循環(huán)過程中,可以有效減緩鋁與陶瓷間的熱應力,具有優(yōu)異的可靠性。目前氮化硅AMB陶瓷載板與DBA直接覆鋁載板均是大功率器件的封裝重要材料,且各有優(yōu)勢,本文將選取相關(guān)重要性能參數(shù)進行對比比較。

本研究選擇SAM聲波掃描檢查界面空洞率、鍵合強度、高壓局部放電性能、熱循環(huán)可靠性、表面可焊性等性能進行對比驗證測試。

圖1 (a) 氮化硅AMB母板載板, (b) 氮化鋁DBA母板載板


2、載板超聲波掃描空洞率驗證

選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板,對母板樣品,尺寸為138×190mm,經(jīng)表面清洗及圖形轉(zhuǎn)移、圖形蝕刻后,進行超聲波掃描,檢查樣品界面處的焊接空洞率,如下圖2為AMB載板與DBA載板大尺寸母板的鍵合界面掃描圖,所用設備為Insight SAM聲波掃描顯微鏡,圖中可得AMB覆銅陶瓷載板與DBA陶瓷載板其界面空洞率均<0.5%,AMB與DBA載板樣品均具有超卓的焊合效果。


圖2 (a)氮化硅AMB母板載板SAM聲波掃描圖,(b)氮化鋁DBA母板載板SAM聲波掃描圖

3、鍵合強度測試


氮化硅AMB載板母板與氮化鋁DBA樣品母板,樣品制備成測試條圖形,速度設定50mm/min,圖形樣品金屬層寬度5mm,90°垂直向上剝離測試。采用剝離測試機為HY-BL型號,剝離樣品剝離測試示意圖如下圖3。

表2 氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板剝離強度

從表2中可得,樣品測試過程中,AMB樣品均完成銅層與氮化硅陶瓷間的剝離,其剝離強度值達到13.97~14.63N/mm;DBA樣品在測試過程中,隨著夾頭牽引鋁層,進行緩慢提升,其剝離力急劇增長,達到設備極限98.0N時,設備迅速急停,發(fā)現(xiàn)鋁層并未均勻拉起,鋁層剝離測試時出現(xiàn)急劇頸縮,并斷裂??梢耘袛啵珼BA金屬鋁層與氮化鋁陶瓷間的鍵合強度值大于鋁層的抗拉強度,估算其剝離強度>19.6N/mm。


4、載板局部放電性能驗證

選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板,該樣品圖形具有等效平板電容特征。在氟油中,局部放電測量儀的高壓電極連接載板一面,載板另一面連接接地金屬平板,如圖4所示。分別在4.5kV、7.0Kv、9Kv的高壓下進行持續(xù)時間為1min的絕緣局部放電測試。檢測AMB覆銅載板與DBA直接覆鋁載板的在高壓條件下max局部放電量,進行性能對比,根據(jù)國際電工協(xié)會標準,以局部放電量<10pC 為判斷標準進行評價。


表3 氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板局部放電性能

從上表可得,氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板,在4.5Kv持續(xù)1min條件下,均滿足局部放電量<10pC的要求;在7.0Kv持續(xù)1min測試中,DBA載板仍然保持良好的局部放電特性,局部放電量<10pC,AMB載板的局部放電量激增數(shù)百倍,測試的樣品中局部放電量均大于1000pC;針對DBA樣品繼續(xù)升壓進行9.0Kv持續(xù)1min條件下測試,DBA載板局部放電量<10pC,高壓條件下,氮化鋁DBA載板局部放電性能優(yōu)于氮化硅AMB載板。


5、熱循環(huán)可靠性驗證

選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板,置于TSE-12-A型號冷熱循環(huán)試驗箱中,進行熱循環(huán)可靠性測試,測試條件為,-55℃/30min~150℃/30min中間轉(zhuǎn)換時間小于60s,熱循環(huán)測試3000次后,采用Insight SAM聲波掃描顯微鏡進行界面檢查??芍?,氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板,均具有良好的熱循可靠性。3000次熱循環(huán)測試并未影響鍵合區(qū)的強度,陶瓷保持完整。

圖5 (a) 氮化硅AMB載板0次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖,(b) 氮化鋁DBA載板0次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖,(c) 氮化硅AMB載板3000次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖, (d) 氮化鋁DBA載板3000次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖


6、表面可焊性驗證

選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板樣品,分別進行化鍍鎳金,Ni層厚度為3.0~7.0μm,金層厚度為0.025~0.045μm,進行表面可焊性測試。


具體步驟操作為:在載板表面指定區(qū)域使用焊料進行涂刷(Sn-Ag3.5Cu0.5),平移置于288±5℃條件下的加熱平臺上,保持10-30s,充分熔融后,樣品平移至冷卻區(qū)域,目視檢查所覆焊接區(qū)應光滑、無虛焊、漏焊等。測試結(jié)果如下圖,可知氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板樣品均具有良好的可焊性能,測試表面焊錫區(qū)面積達≥95%以上。

圖6 (a) 氮化硅AMB載板可焊性測試,(b) 氮化鋁DBA載板可焊性測試

總結(jié):


本文重點針對AMB載板與DBA載板的相關(guān)性能進行測試,其中在焊接空洞率、鍵合強度、熱循環(huán)可靠性、表面可焊性等測試過程中,均表現(xiàn)優(yōu)異且符合商用載板的基本使用要求。AlN載板擁有較高的熱導率120-180W/mK,與氮化硅AMB載板相比,考慮相當熱導量性能條件下,采用的0.635mm的氮化鋁陶瓷層厚度的氮化鋁DBA載板具有更高的絕緣性能,主要體現(xiàn)在載板的局部放電性能上。在器件應用上,氮化鋁DBA載板,高電壓下局部放電量低,且其與Si芯片熱膨脹系數(shù)匹配性好,適合大功率Si基大功率器件模塊;氮化硅AMB載板,氮化硅陶瓷強度高(抗彎強度≥800Mpa),韌性好,其與SiC芯片熱膨脹系數(shù)匹配性好,適合大功率SiC器件模塊。

為滿足器件在嚴苛環(huán)境下高壓、大功率、高可靠性以及強散熱需求下,DBA基板可選擇厚度為0.635mm氮化鋁陶瓷,DBA基板綜合熱導率可達到185-210W/m·k,是強散熱需求器件的理想襯板。


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