Si3N4 DBC和AMB陶瓷基板

前幾篇我們一起聊了聊市面上比較常見(jiàn)的車(chē)規(guī)模塊以及涉及到的比較不尋常的工藝技術(shù)，主要集中在芯片的互連技術(shù)。今天我們來(lái)聊一聊模塊結(jié)構(gòu)中的另外一個(gè)部分--絕緣基板，不管工業(yè)模塊還是車(chē)規(guī)模塊都被經(jīng)常談及的一個(gè)部分。

前言

隨著寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件往更高的功率密度，更高的芯片溫度以及更高的可靠性方向發(fā)展，相應(yīng)地也對(duì)于功率半導(dǎo)體模塊封裝的提出了更高的要求。包括我們前面聊到的無(wú)焊料，無(wú)鍵合線等互連技術(shù)趨勢(shì)外，絕緣基板的選擇也成為經(jīng)常討論的話題。

為了提高模塊的散熱性能，必須在芯片和底板之間放置一塊具有高導(dǎo)熱率的絕緣基板，在絕緣基板上構(gòu)建電路互連的主要方法是DBC（直接鍵合銅），其中一個(gè)陶瓷絕緣層--具有非常好的電絕緣和電介質(zhì)強(qiáng)度，直接粘合在兩層銅之間。這些基板通常根據(jù)應(yīng)用情況和其熱性能、機(jī)械性能和電絕緣性能來(lái)進(jìn)行選擇。

早之前我們也有簡(jiǎn)單聊過(guò)絕緣基板

功率模塊Ⅰ—— 絕緣襯底?和?功率模塊Ⅱ —— 絕緣襯底金屬化

常見(jiàn)的絕緣基板材料有氧化鋁（Al2O3以及摻雜9%氧化鋯的HPS）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）等。其中Al2O3算是最經(jīng)濟(jì)的選擇，雖然它具有相對(duì)較高的機(jī)械強(qiáng)度，但是與其他材料相比，導(dǎo)熱系數(shù)方面顯得便弱了很多，相對(duì)來(lái)說(shuō)不太契合后續(xù)功率器件的發(fā)展要求；AlN具有更高的導(dǎo)熱率，CTE與硅幾乎相同，有效地降低了分層和焊料疲勞等問(wèn)題，但機(jī)械強(qiáng)度在較大的熱循環(huán)中還不夠有優(yōu)勢(shì)。Si3N4的CTE也非常接近半導(dǎo)體芯片，同時(shí)提供了很好的機(jī)械強(qiáng)度和熱疲勞能力，但成本和供應(yīng)相對(duì)來(lái)說(shuō)算是一個(gè)“弱點(diǎn)”，但當(dāng)下我們?cè)诟咝阅苣K中還是很常見(jiàn)的，氮化硅基板的使用在未來(lái)應(yīng)該會(huì)變得越為常見(jiàn)。

最近朋友分享了一篇羅杰斯關(guān)于氮化硅DBC和AMB對(duì)比的文章，

‘Comparison of Silicon Nitride DBC and AMB Substrates for different ?applications in power electronics’

基于這個(gè)，我們?cè)賮?lái)聊一聊絕緣基板。

氮化硅DBC和AMB

DBC（直接鍵合銅）技術(shù)和AMB（活性金屬釬焊）技術(shù)，目前最常見(jiàn)的兩種基板敷銅工藝，下面是兩種制造過(guò)程的簡(jiǎn)單示意圖。

DBC的基本原理是在銅和陶瓷基板之間引入氧元素，在約1000℃時(shí)形成Cu/O共晶液相，進(jìn)而與陶瓷基板進(jìn)行粘附。但AlN和Si3N4等則需要首先在其表面進(jìn)行一層氧化，才能夠滿(mǎn)足傳統(tǒng)的DBC工藝。

AMB的基本原理是在900℃的溫度下，含有活性元素Ti、Zr的焊料在陶瓷和金屬的界面潤(rùn)濕并反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)粘合。

上面所示的SEM電鏡掃描界面圖，我們可以更為清楚地看到每一層。

Si3N4陶瓷基板特性

熱阻

銅金屬化基板的熱阻主要取決于陶瓷基本材料，下表是AlN和Si3N4基板搭配0.3mm的銅層后的熱阻對(duì)比，由于熱阻Rth和厚度成正比，所以氮化硅厚度是氮化鋁一半時(shí)，熱阻幾乎一致。

并且我們可以看到，其他條件相同的前提下，Si3N4采用DBC和AMB的情況下熱阻也幾乎一樣。

熱沖擊

為了了解幾種不同陶瓷基板可靠性，通過(guò)熱沖擊測(cè)試對(duì)他們進(jìn)行表征對(duì)比，下面是AlN、Al2O3、HPS、Si3N4(DBC&AMB)的對(duì)比。

我們可以看到，相同條件下，Si3N4的DBC基板比常見(jiàn)的Al2O3的DBC基板抗熱沖擊的能力提高了20倍，而其AMB基板（0.5mm銅層）更是超過(guò)了50倍。

電絕緣性能

對(duì)幾種陶瓷基板進(jìn)行了局部放電和擊穿強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試條件：球電極50Hz交流電，變化速率1kV/s，在5kV下測(cè)量局部放電，增加電壓直到出現(xiàn)擊穿。測(cè)試結(jié)果如下，

所有陶瓷基板的電絕緣性能都還不錯(cuò)，所以一般我們都不太會(huì)談及這方面的影響。

Layout 建議

AMB陶瓷基板的絕緣間隙必須略大于DBC的，去除釬焊材料的必要刻蝕工藝限制的這方面的最小尺寸。高功率密度的需求意味著更高的電流，而AMB允許更厚的銅層（0.3mm~0.8mm），即能夠擁有更高的電流承載能力。

應(yīng)用

下面是文章中給到的陶瓷基板隔離電壓和導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域分布圖，

以及不同陶瓷基板的特性?xún)?yōu)劣和對(duì)應(yīng)的相關(guān)應(yīng)用對(duì)比，

小結(jié)

今天的內(nèi)容主要在于了解Si3N4的DBC和AMB陶瓷基板的相關(guān)特性，以及和幾種主要陶瓷基板之間的比較。就像任何事情基本都會(huì)談及的一個(gè)關(guān)鍵因素“成本”，我們更多的時(shí)候看到的還是傳統(tǒng)的Al2O3 DBC基板，或者是為了增加機(jī)械強(qiáng)度而摻雜9%氧化鋯的HPS基板。只有在一些追求性能更優(yōu)，成本能夠權(quán)衡的領(lǐng)域可以看到Si3N4 DBC或者AMB基板。

不管怎么樣，未來(lái)能夠遇見(jiàn)的肯定會(huì)越來(lái)越多，我們能夠?qū)W習(xí)的也會(huì)越來(lái)越多，雖然現(xiàn)在要學(xué)習(xí)的也很多。但我們可以再回頭喝一口開(kāi)頭的雞湯，任何事情不都是需要一個(gè)過(guò)程，就看你在其中抱著怎樣的態(tài)度。

最后，今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！