氮化硅AMB基板：新能源汽车SiC功率模块的首选工艺

      如今，SiC“上车”已成为新能源汽车产业难以绕开的话题，诸多半导体企业在碳化硅上“卷”了起来。SiC在高压+长续航平台有先天性能优势。

      目前IGBT封装主要采用DBC陶瓷基板，DBC陶瓷基板是通过共晶键合法制备而成，铜和陶瓷之间没有粘结材料，在高温服役过程中，往往会因为铜和陶瓷（Al2O3或AlN）之间的热膨胀系数不同而产生较大的热应力，从而导致铜层从陶瓷表面剥离，因此传统的DBC陶瓷基板已经难以满足高温、大功率、高散热、高可靠性的封装要求。

      Si₃N₄-AMB基板技术实现了氮化铝和氮化硅陶瓷与铜片的覆接，可大幅提高陶瓷基板可靠性，逐步成为中高端IGBT模块散热电路板主要应用类型。目前以Si基为主的IGBT模块在具有高导热性、高可靠性、高功率等要求、对成本不敏感的轨道交通、工业级、车规级领域正逐渐采用Si₃N₄-AMB陶瓷衬板替代原有的DBC陶瓷衬板，Si₃N₄-AMB基板是SiC器件封装基板的首选。

      Ferrotec统计显示，采用AMB工艺的氮化硅陶瓷基板(Si₃N₄-AMB)主要应用在电动汽车(EV)和混合动力车(HV)功率半导体中。Si₃N₄-AMB陶瓷基板具有高热导率、高载流能力以及低热膨胀系数，性能优越有望成为IGBT和SiC功率器件基板应用新趋势：

● 高热导率、高载流能力：Si₃N₄-AMB陶瓷基板热导率高于90W/mk，厚铜层具有较高热容量以及传热性，同时AMB工艺可将厚铜金属(800μm)焊接到相对较薄的氮化硅陶瓷上，形成高载流能力；

● 低热膨胀系数：Si₃N₄-AMB陶瓷基板热膨胀系数为2.4ppm/K，与硅芯片(4ppm/K)接近，具有良好的热匹配性，适用于裸芯片的可靠封装。

      碳化硅车型渗透率预计2024年快速提升，新能源汽车领域成为Si₃N₄-AMB陶瓷基板最大需求领域：全球碳化硅模块用量最多的是特斯拉，Model3开始全系标配碳化硅MOSFET模块替代IGBT作为逆变器功率器件，碳化硅模块都必须采用Si₃N₄-AMB的陶瓷封装材料。

      据估计，目前一块标准衬板单价为400元左右，预计2027年预计全球采用SiC车型将达到1032万辆，考虑到未来降价至300元左右，预计2027年SiC车规市场规模将达到34.3亿元。如果750V以上车规级IGBT模块也进行替换，预计车规级电控模块所需Si₃N₄-AMB基板市场空间达到50亿元左右。

Si₃N₄-AMB基板制备流程

      AMB工艺根据钎焊料不同，目前主要分为放置银铜钛焊片和印刷银铜钛焊膏两种。以后者为例，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、腐蚀及镀Ni工艺制备出符合要求的氮化硅AMB覆铜板。

      在AMB工艺中，利用Ti等过渡金属与Ag、Cu等元素形成合金焊料，具有很强的化学活性，能够与氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等发生反应，促使熔融焊料润湿陶瓷表面，完成氮化硅与无氧铜的连接。活性元素Ti与氮化硅陶瓷反应的主要产物是TiN和TiAl3。

      但这两种方法都存在一定局限。首先，焊片工艺所用的银铜钛焊片在制备过程中容易出现活性元素Ti的氧化、偏析问题，导致成材率极低，焊接接头性能较差。对于焊膏工艺，在高真空中加热时有大量有机物挥发，导致钎焊界面不致密，出现较多空洞，使得基板在服役过程中易出现高压击穿、诱发裂纹的问题。此外，释放的有机挥发物会污染真空腔体和泵组管道，影响分子泵的使用寿命。

      据此，李伸虎等创新地提出了银铜钛焊膏的预脱脂钎焊工艺，可以在保护高真空设备的同时，显著降低Si₃N₄陶瓷-铜的界面空洞率。

      此外，AMB工艺还还存在一些短板，其技术实现难度要比DBC、DPC两种工艺大很多，对技术要求高，且在良率、材料等方面还有待进一步完善，这使得该技术目前的实现成本还比较高。