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功率器件用陶瓷覆銅基板的材料目前主要有氧化鋁（Al2O3 ）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4 ）等。隨著第三代功率芯片（如 SiC、GaN）制備技術(shù)的成熟，更高功率密度和更高工作環(huán)境溫度導(dǎo)致 Al2O3 和 AlN 覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊次數(shù)迅速下降，可靠性降低，不能滿足使用要求。氮化硅陶瓷覆銅基板優(yōu)異的高可靠性使其成為高鐵、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域功率模塊最有前途的基板材料之一。
表??三種陶瓷基板材料物理力學(xué)性能對(duì)比
近“0”空洞率！AMB-Si3N4基板的活性釬焊技術(shù)

● Al2O3 覆銅基板主要采用直接覆銅方法（Direct Bonded Copper，DBC）制備，其熱導(dǎo)率低，散熱能力有限，多用于功率密度不高且對(duì)可靠性沒(méi)有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。

● AlN 覆銅基板主要采用具有更高可靠性的活性金屬釬焊工藝（Active Metal Brazing，AMB），由于氮化鋁 AMB覆銅基板具有較高的散熱能力，從而適用于一些高功率、大電流的工作環(huán)境，但是由于機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，使得 AlN-AMB覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，限制了其應(yīng)用范圍。

●?氮化硅 AMB 覆銅基板（Si3N4-AMB）以其高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、可靠性高等優(yōu)異的綜合熱力學(xué)性能成為較有前途的候選材料之一。Si3N4-AMB覆銅基板不僅具有與 AlN 相當(dāng)?shù)纳崮芰?，而且其使用壽命可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
隨著電力電子向高功率、大電流、高能量密度的方向快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于更高可靠性的氮化硅陶瓷覆銅基板的需求越來(lái)越迫切。界面空洞率是衡量AMB陶瓷覆銅基板性能的重要指標(biāo)之一，也是國(guó)內(nèi)Si3N4-AMB產(chǎn)品難以突破的瓶頸之一。

1、Si3N4-AMB基板的制備工藝

活性金屬釬焊法(Active MetalBrazing，AMB)制備的氮化硅陶瓷覆銅基板具有工藝簡(jiǎn)單、污染小、服役溫度高和可靠性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。AMB主要工藝流程為在無(wú)氧銅片和陶瓷板間放置銀銅鈦焊片或印刷銀銅鈦焊膏，然后置于800~900℃的高真空環(huán)境中進(jìn)行釬焊，形成銅-釬料-Si3N4-釬料-銅的結(jié)構(gòu)。其中活性釬料的制備和活性金屬釬焊是目前的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

近“0”空洞率！AMB-Si3N4基板的活性釬焊技術(shù)

圖?Si3N4-AMB覆銅陶瓷基板工藝流程
Ti、Zr、Hf、V、Nb等是常見的幾種活性金屬元素，可以浸潤(rùn)陶瓷表面，被廣泛用于陶瓷與金屬的活性封接。其中以Ti為活性元素的Ag-Cu-Ti系合金是研究最多、實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的一種活性釬料，其在800~950?℃的溫度下可以潤(rùn)濕大多數(shù)陶瓷表面，釬焊接頭強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，從而可以較好地實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬、陶瓷和陶瓷的封接。

近“0”空洞率！AMB-Si3N4基板的活性釬焊技術(shù)

圖源亞通新材招股說(shuō)明書
Ag-Cu-Ti系活性釬料的使用形式隨Ti元素的形態(tài)、釬料的組合方式不同而有所不同：①預(yù)涂Ti粉(或TiH,粉)膏劑，然后加預(yù)成形焊片(通常為Ag72Cu28合金焊片)；②預(yù)先在陶瓷表面以PVD(物理氣相沉積)或CVD(化學(xué)氣相沉積)鍍一層Ti薄膜，然后再加Ag-Cu釬料。③使用Ag-Cu-Ti焊片；④使用Ag-Cu-Ti焊膏。

2、Si3N4-AMB界面空洞的形成原因

AMB覆銅陶瓷基板一般采用銀銅鈦焊片或印刷焊膏，但這兩種方法都存在一定局限：

①焊片工藝所用的銀銅鈦焊片在制備過(guò)程中容易出現(xiàn)活性元素Ti的氧化、偏析問(wèn)題，導(dǎo)致成材率極低，焊接接頭性能較差。

②對(duì)于焊膏工藝，在高真空中加熱時(shí)有大量有機(jī)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(guò)程中易出現(xiàn)高壓擊穿、誘發(fā)裂紋的問(wèn)題。

③釋放的有機(jī)揮發(fā)物會(huì)造成污染，影響使用壽命。

近“0”空洞率！AMB-Si3N4基板的活性釬焊技術(shù)

圖??銀銅鈦活性焊膏，來(lái)源：亞通新材
使用銀銅鈦活性釬料制備Si3N4陶瓷覆銅基板時(shí)，導(dǎo)致界面空洞的原因主要有幾點(diǎn)：

①原料表面質(zhì)量：焊接前陶瓷和無(wú)氧銅表面的劃痕、凹坑、氧化、有機(jī)污染的問(wèn)題都會(huì)對(duì)焊料的潤(rùn)濕鋪展造成負(fù)面影響，為釬焊界面帶來(lái)了潛在的空洞風(fēng)險(xiǎn)。

②焊料印刷質(zhì)量：大面積焊膏印刷過(guò)程中，較易出現(xiàn)焊膏漏印、印刷不均勻的問(wèn)題，焊料熔化后一旦沒(méi)有鋪展覆蓋這些漏印區(qū)域，就會(huì)直接導(dǎo)致空洞的形成。

③活性元素失活：AgCuTi焊膏中的活性元素Ti對(duì)氧十分敏感，高溫釬焊過(guò)程中，往往要求真空度優(yōu)于10-3Pa，若真空度無(wú)法滿足焊接要求導(dǎo)致Ti氧化失活，焊料無(wú)法潤(rùn)濕Si3N4陶瓷表面，會(huì)造成大面積虛焊、漏焊等現(xiàn)象。

④焊膏揮發(fā)氣體：釬焊過(guò)程中，焊膏中揮發(fā)出的氣體會(huì)被助焊劑包裹形成氣泡，此外助焊劑中的有機(jī)酸和金屬氧化物反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生氣泡，隨著反應(yīng)的進(jìn)行氣泡逐漸變大，排出的氣泡會(huì)在焊膏表面留下密密麻麻的氣孔，而未排出的氣泡同樣會(huì)隨著焊料熔化凝固的過(guò)程滯留在釬焊界面處，形成空洞。

⑤釬焊工藝參數(shù)：Ag-Cu-Ti活性釬料往往在800?℃以上才能潤(rùn)濕Si3N4表面，若釬焊溫度過(guò)低或保溫時(shí)間過(guò)短，將會(huì)使得Ti與陶瓷表面的反應(yīng)不夠充分，導(dǎo)致釬料無(wú)法完全潤(rùn)濕陶瓷表面。

3、降低Si3N4-AMB空洞率的措施

AMB氮化硅覆銅基板的制備過(guò)程中，在空洞率控制方面，高真空或高真空+惰性氣體的釬焊環(huán)境、預(yù)脫脂的釬焊工藝、適當(dāng)?shù)拟F焊壓力、原材料的清洗（對(duì)Si3N4陶瓷和銅片進(jìn)行除油和除氧化處理）都可以降低釬焊界面空洞率。張義政等人以空洞率為指標(biāo)，對(duì)原材料前處理、AMB工藝參數(shù)（焊接壓力和焊接溫度）進(jìn)行全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）及方差分析，結(jié)果表明焊接壓力是空洞率最主要的影響因素，較大的釬焊壓力有助于減少釬焊界面的空洞率。華中科技大學(xué)李伸虎、吳懿平等人采用AgCuTi活性焊膏作為釬料，研究了預(yù)脫脂工藝和不同釬焊壓力對(duì)氮化硅陶瓷覆銅基板界面空洞率的影響，結(jié)果表明，采用預(yù)脫脂工藝能顯著降低界面空洞率，在預(yù)脫脂且施加400N釬焊壓力的工藝條件下，界面空洞率近乎為0，界面剝離強(qiáng)度可達(dá)17.3 N/mm。

資料來(lái)源：

1.《銀銅鈦焊膏制備Si3N4陶瓷覆銅基板工藝》，李伸虎、吳懿平等；

2.《氮化硅覆銅基板活性釬焊研究進(jìn)展》，李伸虎、吳懿平等；

3.《Si3N4覆銅基板的界面空洞控制技術(shù)》，張義政等；

4.《氮化硅陶瓷覆銅基板制備及可靠性評(píng)估》，余曉初等.
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推薦活動(dòng)：【邀請(qǐng)函】2024年半導(dǎo)體陶瓷產(chǎn)業(yè)論壇（2024年4月12日·泉州）

2024年半導(dǎo)體陶瓷產(chǎn)業(yè)論壇

The ?Semiconductor Ceramics Industry?Forum

“功率半導(dǎo)體封裝用DBC/AMB陶瓷襯板、半導(dǎo)體設(shè)備精密陶瓷部件”

2024年4月12日
泉州·泉商希爾頓酒店

福建省泉州市晉江市濱江路999號(hào)

主辦單位：深圳市艾邦智造資訊有限公司
協(xié)辦單位：福建華清電子材料科技有限公司
媒體支持：艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)、艾邦陶瓷展、陶瓷科技視野
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一、暫定議題

 

序號(hào)

暫定議題

擬邀請(qǐng)企業(yè)

1

半導(dǎo)體設(shè)備中陶瓷零部件的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

清華大學(xué)?新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?潘偉?教授

2

氮化鋁基板和器件與半導(dǎo)體應(yīng)用

華清電子?向其軍?博士

3

先進(jìn)陶瓷材料制備與智能化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

北京科技大學(xué)?教授?白洋

4

高性能氮化鋁和氧化鋁粉體連續(xù)式生產(chǎn)關(guān)鍵工藝技術(shù)

中鋁新材料?事業(yè)部總經(jīng)理?吳春正

5

多孔陶瓷的研究進(jìn)展及在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

擬邀請(qǐng)多孔陶瓷企業(yè)/高校研究所

6

LTCC技術(shù)在半導(dǎo)體晶圓探針卡中的應(yīng)用

擬邀請(qǐng)?zhí)结樋ㄆ髽I(yè)/高校研究所

7

CVD用絕緣高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷加熱器的研發(fā)

擬邀請(qǐng)?zhí)沾杉訜岜P企業(yè)/高校研究所

8

耐等離子腐蝕的氧化釔陶瓷的開發(fā)與應(yīng)用

擬邀請(qǐng)氧化釔陶瓷企業(yè)/高校研究所

9

高強(qiáng)度高耐磨的氮化硅陶瓷材料的開發(fā)

擬邀請(qǐng)氮化硅陶瓷企業(yè)/高校研究所

10

碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件在集成電路制造關(guān)鍵裝備中的應(yīng)用

擬邀請(qǐng)?zhí)蓟杼沾善髽I(yè)/高校研究所

11

半導(dǎo)體裝備用陶瓷靜電卡盤關(guān)鍵技術(shù)

擬邀請(qǐng)靜電卡盤企業(yè)/高校研究所

12

高純氧化鋁陶瓷制備工藝及其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

擬邀請(qǐng)氧化鋁陶瓷企業(yè)/高校研究所

13

真空釬焊設(shè)備在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

擬邀請(qǐng)真空釬焊企業(yè)/高校研究所

14

高精度復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷制備工藝研究

擬邀請(qǐng)?zhí)蓟杼沾善髽I(yè)/高校研究所

15

半導(dǎo)體設(shè)備用陶瓷的成型工藝技術(shù)

擬邀請(qǐng)成型設(shè)備企業(yè)/高校研究所

16

高強(qiáng)度氮化硅粉體制備工藝技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化

擬邀請(qǐng)氮化硅粉體企業(yè)/高校研究所

17

第三代功率半導(dǎo)體封裝用AMB陶瓷覆銅基板

擬邀請(qǐng)AMB企業(yè)/高校研究所

18

覆銅陶瓷基板的失效機(jī)理分析及可靠性設(shè)計(jì)

擬邀請(qǐng)?zhí)沾苫迤髽I(yè)/高校研究所

19

特種陶瓷高溫?zé)Y(jié)工藝技術(shù)

擬邀請(qǐng)熱工裝備企業(yè)/高校研究所

20

半導(dǎo)體設(shè)備用陶瓷零部件表面處理技術(shù)

擬邀請(qǐng)表面處理/陶瓷零部件企業(yè)

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作者 gan, lanjie

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