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AMB陶瓷基板的性能及其应用

AMB陶瓷基板

第三代半导体的崛起和发展推动了功率器件尤其是半导体器件不断走向大功率,小型化,集成化和多功能方面前进,对封装基板性能提升起到了很大的促进作用。陶瓷基板也是陶瓷电路板在电子器件封装中得到广泛应用主要是缘于陶瓷基板具有高热导率、耐高温、较低的热膨胀系数、高的机械强度、耐腐蚀以及绝缘性好、抗辐射的优点。

陶瓷基板工艺有很多种,除了DPC、DBC、HTCC、LTCC之外,还有目前备受关注的AMB(Active Metal Bonding)技术,即活性金属钎焊技术。

IGBT陶瓷基板.JPG

 一,什么是活性金属钎焊技术?

AMB技术是指,在800℃左右的高温下,含有活性元素Ti、Zr的AgCu焊料在陶瓷和金属的界面润湿并反应,从而实现陶瓷与金属异质键合的一种工艺技术。AMB陶瓷基板,一般是这样制作的:首先通过丝网印刷法在陶瓷板材的表面涂覆上活性金属焊料,再与无氧铜层装夹,在真空钎焊炉中进行高温焊接,然后刻蚀出图形制作电路,最后再对表面图形进行化学镀。

二,AMB陶瓷基板的技术特点

AMB技术是在DBC(Direct Bonding Copper,直接覆铜法)技术的基础上发展而来的。相比于传统的DBC基板,采用AMB工艺制备的陶瓷基板,不仅具有更高的热导率、更好的铜层结合力,而且还有热阻更小、可靠性更高等优势。

三, AMB陶瓷基板按材质分类

根据陶瓷材质的不同,目前成熟应用的AMB陶瓷基板可分为:氧化铝、氮化铝和氮化硅基板。

三种陶瓷材料的物理性能.jpg 

3.1 AMB氧化铝基板

相对地,氧化铝板材来源广泛、成本最低,是性价比最高的AMB陶瓷基板,工艺最为成熟。但由于氧化铝陶瓷的热导率低、散热能力有限,AMB氧化铝基板多用于功率密度不高且对可靠性没有严格要求的领域。

3.2 AMB氮化铝基氮化铝

AMB基板具有较高的散热能力,从而更适用于一些高功率、大电流的工作环境。但是由于机械强度相对较低,氮化铝AMB覆铜基板的高低温循环冲击寿命有限,从而限制了其应用范围。氮化铝AMB基板具有较高的散热能力,从而更适用于一些高功率、大电流的工作环境。但是由于机械强度相对较低,氮化铝AMB覆铜基板的高低温循环冲击寿命有限,从而限制了其应用范围。

3.3 AMB氮化硅基板

氮化硅陶瓷,具有 α-Si3N4和β-Si3N4两种晶型,其中α 相为非稳定相,在高温下易转化为稳定的 β 相。高导热氮化硅陶瓷内 β 相的含量一般大于40%。凭借氮化硅陶瓷的优异特性,AMB氮化硅基板有着优异的耐高温性能、抗腐蚀性和抗氧化性。

3.3.1 AMB氮化硅基板具有高热导率。

一方面,AMB氮化硅基板具有较高的热导率(>90W/mK),厚铜层(达800μm)还具有较高热容量以及传热性。因此,对于对高可靠性、散热以及局部放电有要求的汽车、风力涡轮机、牵引系统和高压直流传动装置等来说,AMB氮化硅基板可谓其首选的基板材料。

另一方面,活性金属钎焊技术,可将非常厚的铜金属(厚度可达0.8mm)焊接到相对较薄的氮化硅陶瓷上。因此,载流能力较高,而且传热性也非常好。客户可自定义产品布局,这一点类似于PCB电路板。

LED氮化铝陶瓷基板.jpg

3.3.2 AMB氮化硅基板具有低热膨胀系数。

氮化硅陶瓷的热膨胀系数(2.4 ppm/K)较小,与硅芯片(4 ppm/K)接近,具有良好的热匹配性。因此,AMB氮化硅基板,非常适用于裸芯片的可靠封装,封装后的组件不容易在产品的生命周期中失效。

四, AMB陶瓷基板的可靠性分析

在设计新的电源模块时,根据封装方式的要求,模块工程师需要选择合适的基板材料,并对基板的电气、热性能、机械性能和可靠性进行综合考量。研究表明,功率器件失效的绝大部分原因与热量没有及时散出有关,陶瓷基板的热学性能对于功率器件的可靠性十分关键。AMB基板的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、钎焊工艺、钎焊层组织结构等诸多关键因素。

4.1 影响AMB陶瓷基板可靠性指标的制程因素和测试因素

QQ截图20210226170409.jpg 

4.2 影响AMB陶瓷基板机械应力和热冲击分析方面分析

机械应力分析:

1,陶瓷属于脆性材料,在应力条件下易产生疲劳断裂

2,由于铜和陶瓷的CTE不匹配产生的内应力

3,内应力主要集中在铜的边缘与陶瓷连接处

4,圆角比尖角更容易产生裂纹

5,dimple可起到热应力缓解作用,可以10x提升基板的可靠性

热冲击测试基本信息:

1,注意温差和转换时间

2,-55°C~150°C,热冲击

3,一般来说,热冲击比热循环测试更严苛;

4,一般来说,液体测试比气体测试更严苛.

五,AMB陶瓷基板的应用

DBC陶瓷基板相比,AMB陶瓷基板具有更高的结合强度和冷热循环特性。目前,随着电力电子技术的高速发展,高铁上的大功率器件控制模块对IGBT模块封装的关键材料——陶瓷覆铜板形成巨大需求,尤其是AMB基板逐渐成为主流应用。

日本京瓷采用活性金属焊接工艺制备出了氮化硅陶瓷覆铜基板,其耐温度循环(-40~125 ℃)达到5 000 次,可承载大于300 A 的电流,已用于电动汽车、航空航天等领域。特别是,该产品采用活性金属焊接工艺将多层无氧铜与氮化硅陶瓷键合,同时采用铜柱焊接实现垂直互联,对IGBT 模块小型化、高可靠性等要求有较好的促进作用。

另外,在风能、太阳能、热泵、水电、生物质能、绿色建筑、新能源装备、电动汽车、轨道交通等重要领域,AM陶瓷基板也开始得到越来越多的应用。更多陶瓷基板的工艺以及制作可以咨询金瑞欣特种电路,金瑞欣特种电路熟练多种工艺,陶瓷基板制作和加工多年,有这丰富的经验,很多研发机构、高校以及大企业上市公司都寻求合作,欢迎咨询。

 

 


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