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DBA直接覆铝陶瓷基板:功率器件封装材料来势汹汹!!

15 2023-05-19
陶瓷基板

随着电子技术的飞速发展,各种新型材料也不断涌现。其中,直接覆铝陶瓷基板(DBA基板)因其优良的性能表现备受瞩目,成为电子行业中备受关注的材料之一。今天,我们就来一起探讨DBA基板的特点和应用前景。



DBA直接覆铝陶瓷基板(Direct Bonding Aluminum Ceramic Substrate,简称DBA)是一种新型的电子材料,将会成为未来电子材料领域的新宠。特别的,随着国内新能源汽车超级快充站、智能电网、高压光伏风电领域的迅速发展,对功率器件的高压、高功率密度、强散热等需求更加迫切,作为直接覆铜DCB陶瓷基板已不能满足器件的散热需求。

半导体大功率器件用陶瓷基板领域拥有全面的产品种类,客户可以根据器件不同应用场合需求,满足最优产品类型及规格尺寸定制服务。


陶瓷基板种类

不同陶瓷基板性能趋势

DBA直接覆铝基板展示品

1、特性验证对比


本文还将以AMB氮化硅覆铜陶瓷基板与DBA 氮化铝覆铝基板进行性能对比研究:


AMB氮化硅覆铜陶瓷载板主要采用活性金属焊料作为连接中间层,在真空钎焊条件下实现Cu箔与陶瓷的键合,活性金属焊料层能缓解铜与瓷片之间的热应力,具有理想的可靠性与散热性能;DBA直接覆铝载板,是在高温(高于660℃)条件下将铝液直接与AlN陶瓷进行浸润,经冷却后直接实现Al与AlN的键合,由于Al具有更低的强度,在冷热循环过程中,可以有效减缓铝与陶瓷间的热应力,具有优异的可靠性。目前氮化硅AMB陶瓷载板与DBA直接覆铝载板均是大功率器件的封装重要材料,且各有优势,本文将选取相关重要性能参数进行对比比较。

本研究选择SAM声波扫描检查界面空洞率、键合强度、高压局部放电性能、热循环可靠性、表面可焊性等性能进行对比验证测试。

图1 (a) 氮化硅AMB母板载板, (b) 氮化铝DBA母板载板


2、载板超声波扫描空洞率验证

选取的氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板,对母板样品,尺寸为138×190mm,经表面清洗及图形转移、图形蚀刻后,进行超声波扫描,检查样品界面处的焊接空洞率,如下图2为AMB载板与DBA载板大尺寸母板的键合界面扫描图,所用设备为Insight SAM声波扫描显微镜,图中可得AMB覆铜陶瓷载板与DBA陶瓷载板其界面空洞率均<0.5%,AMB与DBA载板样品均具有超卓的焊合效果。


图2 (a)氮化硅AMB母板载板SAM声波扫描图,(b)氮化铝DBA母板载板SAM声波扫描图

3、键合强度测试


氮化硅AMB载板母板与氮化铝DBA样品母板,样品制备成测试条图形,速度设定50mm/min,图形样品金属层宽度5mm,90°垂直向上剥离测试。采用剥离测试机为HY-BL型号,剥离样品剥离测试示意图如下图3。

表2 氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板剥离强度

从表2中可得,样品测试过程中,AMB样品均完成铜层与氮化硅陶瓷间的剥离,其剥离强度值达到13.97~14.63N/mm;DBA样品在测试过程中,随着夹头牵引铝层,进行缓慢提升,其剥离力急剧增长,达到设备极限98.0N时,设备迅速急停,发现铝层并未均匀拉起,铝层剥离测试时出现急剧颈缩,并断裂。可以判断,DBA金属铝层与氮化铝陶瓷间的键合强度值大于铝层的抗拉强度,估算其剥离强度>19.6N/mm。


4、载板局部放电性能验证

选取的氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板,该样品图形具有等效平板电容特征。在氟油中,局部放电测量仪的高压电极连接载板一面,载板另一面连接接地金属平板,如图4所示。分别在4.5kV、7.0Kv、9Kv的高压下进行持续时间为1min的绝缘局部放电测试。检测AMB覆铜载板与DBA直接覆铝载板的在高压条件下max局部放电量,进行性能对比,根据国际电工协会标准,以局部放电量<10pC 为判断标准进行评价。


表3 氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板局部放电性能

从上表可得,氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板,在4.5Kv持续1min条件下,均满足局部放电量<10pC的要求;在7.0Kv持续1min测试中,DBA载板仍然保持良好的局部放电特性,局部放电量<10pC,AMB载板的局部放电量激增数百倍,测试的样品中局部放电量均大于1000pC;针对DBA样品继续升压进行9.0Kv持续1min条件下测试,DBA载板局部放电量<10pC,高压条件下,氮化铝DBA载板局部放电性能优于氮化硅AMB载板。


5、热循环可靠性验证

选取的氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板,置于TSE-12-A型号冷热循环试验箱中,进行热循环可靠性测试,测试条件为,-55℃/30min~150℃/30min中间转换时间小于60s,热循环测试3000次后,采用Insight SAM声波扫描显微镜进行界面检查。可知,氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板,均具有良好的热循可靠性。3000次热循环测试并未影响键合区的强度,陶瓷保持完整。

图5 (a) 氮化硅AMB载板0次热循环SAM超声波扫描图,(b) 氮化铝DBA载板0次热循环SAM超声波扫描图,(c) 氮化硅AMB载板3000次热循环SAM超声波扫描图, (d) 氮化铝DBA载板3000次热循环SAM超声波扫描图


6、表面可焊性验证

选取的氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板样品,分别进行化镀镍金,Ni层厚度为3.0~7.0μm,金层厚度为0.025~0.045μm,进行表面可焊性测试。


具体步骤操作为:在载板表面指定区域使用焊料进行涂刷(Sn-Ag3.5Cu0.5),平移置于288±5℃条件下的加热平台上,保持10-30s,充分熔融后,样品平移至冷却区域,目视检查所覆焊接区应光滑、无虚焊、漏焊等。测试结果如下图,可知氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板样品均具有良好的可焊性能,测试表面焊锡区面积达≥95%以上。

图6 (a) 氮化硅AMB载板可焊性测试,(b) 氮化铝DBA载板可焊性测试

总结:


本文重点针对AMB载板与DBA载板的相关性能进行测试,其中在焊接空洞率、键合强度、热循环可靠性、表面可焊性等测试过程中,均表现优异且符合商用载板的基本使用要求。AlN载板拥有较高的热导率120-180W/mK,与氮化硅AMB载板相比,考虑相当热导量性能条件下,采用的0.635mm的氮化铝陶瓷层厚度的氮化铝DBA载板具有更高的绝缘性能,主要体现在载板的局部放电性能上。在器件应用上,氮化铝DBA载板,高电压下局部放电量低,且其与Si芯片热膨胀系数匹配性好,适合大功率Si基大功率器件模块;氮化硅AMB载板,氮化硅陶瓷强度高(抗弯强度≥800Mpa),韧性好,其与SiC芯片热膨胀系数匹配性好,适合大功率SiC器件模块。

为满足器件在严苛环境下高压、大功率、高可靠性以及强散热需求下,DBA基板可选择厚度为0.635mm氮化铝陶瓷,DBA基板综合热导率可达到185-210W/m·k,是强散热需求器件的理想衬板。


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