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近年來,電子元器件的小型化以及大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展對其所使用的陶瓷絕緣基板提出了更高的要求。在某些特定的領(lǐng)域中,不但要求陶瓷絕緣基板需要具有較高的熱導率,而且還應該具有足夠的強度和韌性。由于氮化硅(Si3N4)陶瓷的高導熱性、抗熱震性及在高溫中良好的機械性能,作為大功率器件封裝基板材料備受矚目。
2024年SiC有望大規(guī)模放量,高導熱氮化硅陶瓷基板備受矚目

圖源大商電子

一、氮化硅是?SiC?器件首選基板材料

據(jù) Yole 預測,全球碳化硅器件市場將從 2021 年 10?億美元的規(guī)模增長至 2027 年的 60?億美元以上,復合增速將高達 34%;其中汽車碳化硅器件的市場將從 2021 年的 6.85 億美元增長至 2027 年的約 50?億美元,復合增速高達 40%。然而碳化硅襯底的成本較高限制了限制了碳化硅的應用放量。8 英寸 SiC 襯底在降低器件成本、增加產(chǎn)能供應方面擁有巨大潛力,從2022 年開始,目前國內(nèi)已有十余家企業(yè)與機構(gòu)公布 8 英 SiC 襯底開發(fā)成功,處于研發(fā)或小批量驗證階段甚至具備量產(chǎn)能力,SiC 襯底將全面進入8英寸時代。中金公司認為,需求端新能源車+光伏上量與供給端良率突破或于2024 年迎來共振,SiC 有望迎接大規(guī)模放量。
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圖源安森美

AMB 氮化硅(Si3N4)基板是 SiC 功率器件導熱基板材料首選。氮化硅具有優(yōu)異的機械性能,兼顧高彎曲強度和高斷裂韌度,可靠性高,高導熱率(>80 W/mK),氮化硅的出色機械強度有助于釬焊較厚的銅層,載流能力較高。且氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第三代半導體襯底 SiC 晶體接近,使其能夠與 SiC 晶體材料匹配更穩(wěn)定,AMB 氮化硅基板主要用于電動汽車(EV)和混合動力車(HV)功率半導體,特別在 800V 以上高端新能源汽車中應用中不可或缺。

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圖源Ferrotec
但由于 AMB 氮化硅陶瓷基板工藝還還存在一些短板,對技術(shù)要求高,且在良率、材料等方面還有待進一步完善,這使得該技術(shù)目前的實現(xiàn)成本還比較高。

二、氮化硅陶瓷覆銅基板的應用難點

1、氮化硅基板實際熱導率低
氮化硅的固有材料特性意味著它的熱導率可能超過 200 W/mK。但是,目前可用的氮化硅陶瓷原料的導熱率受多種因素的限制,目前商用氮化硅基板的熱導率多為 85 W/mK 左右,熱導率還有待進一步提高。影響氮化硅陶瓷熱導率的因素有晶格氧、晶相、晶界相等,其中氧原子因為在晶格中會發(fā)生固溶反應生成硅空位和造成晶格畸變,從而引起聲子散射,降低氮化硅陶瓷熱導率而成為主要因素。此外,晶型轉(zhuǎn)變和晶軸取向也能在一定程度上影響氮化硅的熱導率。如何實現(xiàn)高導熱氮化硅陶瓷基板的大規(guī)模生產(chǎn)也是一個不小的難題。
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圖?陶瓷基板的彎曲強度與熱導率
目前,高導熱氮化硅陶瓷基板的制備方法主要有兩種:一種是燒結(jié)出氮化硅陶瓷塊體,然后將其切割成所需厚度氮化硅基板,但通過這種方法制備氮化硅陶瓷基板的成本較高。另一種是通過流延成型的方法制備出所需厚度的氮化硅坯片,然后再通過適當?shù)呐拍z、燒結(jié)工藝制得氮化硅陶瓷基板。相對于前一種制備方法,這種方法對于降低生產(chǎn)成本無疑具有巨大的優(yōu)勢。
2、氮化硅基板覆銅工藝
氮化硅覆銅陶瓷基板是氮化硅陶瓷與銅通過活性釬焊工藝形成的銅-陶瓷復合材料,是大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的一種新的基礎(chǔ)材料。生產(chǎn)氮化硅覆銅陶瓷基板的技術(shù)關(guān)鍵是獲得高可靠性的銅-瓷連接。但由于氮化硅陶瓷與銅之間的熱膨脹系數(shù)差別較大,在鍵合的過程中會產(chǎn)生較大的殘余應力,不易獲得優(yōu)良的結(jié)合性能,此外,不同于氧化鋁,氮化硅與銅之間不會形成 Cu-Si-O 化合物,需要利用活性金屬元素(Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf 等)可以潤濕陶瓷表面的特性,將銅層通過活性金屬釬料釬焊在氮化硅陶瓷基板上(即 AMB 工藝),實現(xiàn)銅-瓷的連接。
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圖??Al2O3?DBC、AlN?DBC?和?Si3N4?AMB的橫截面
AgCuTi 是常用的活性金屬釬焊焊膏。AgCuTi 應用廣泛,釬焊性能好,但AgCuTi 活性金屬釬焊焊膏應用于覆銅陶瓷基板的釬焊工藝中會帶來一些問題:
1)使用 AgCuTi 活性金屬釬焊焊膏不容易獲得均勻的焊縫,通常 AgCuTi 焊料采用漿料的方式涂裝在氮化硅的表面,與銅片裝夾成三明治結(jié)構(gòu)后進行真空釬焊。由于焊料的涂裝厚度、焊料熔化后流動、焊料中銀向銅中擴散、焊料凝固時析晶等因素的影響,使用 AgCuTi 漿料釬焊的銅瓷界面均勻性較差。均勻性較差的焊料會影響后續(xù)的蝕刻工藝,并影響產(chǎn)品的尺寸精度及可靠性。
2)AgCuTi 焊料中的 Ag 作為重金屬,在覆銅陶瓷基板的后續(xù)蝕刻工藝中會帶來環(huán)境污染的風險。
3)含銀的釬焊層會影響刻蝕線路的精準度,含銀焊料會造成蝕刻不凈,影響電路板的絕緣性能。
4)銀的電遷移系數(shù)較大,在惡劣的使用環(huán)境下,AgCuTi 焊料中銀的電遷移會影響產(chǎn)品的可靠性。
AMB氮化硅陶瓷基板是采用高溫真空釬焊工藝將銅釬接于基板上,釬焊工藝及陶瓷的抗彎強度對AMB基板的可靠性有較大的影響,同時,圖形設(shè)計與銅-瓷厚度的匹配,對AMB基板的可靠性也有較大影響。因此,AMB氮化硅陶瓷基板的發(fā)展需要解決高品質(zhì)原材料、活性釬料、真空釬焊等工藝問題,目前國內(nèi)企業(yè)也在此方面積極實現(xiàn)國產(chǎn)化。
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第六屆精密陶瓷暨功率半導體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會

同期舉辦:熱管理材料展

2024年8月28日-30日

深圳國際會展中心7號館(寶安新館)
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01展會規(guī)模

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02展覽范圍

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一、精密陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈:

 

 

1、陶瓷器件及材料:MLCC、LTCC、HTCC、微波介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、鈦酸鋇、碳酸鋇、氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、玻璃粉、氮化鋁、LTCC介質(zhì)陶瓷粉體、稀土氧化物、生瓷帶等;

 

2、精密陶瓷:氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化釔、結(jié)構(gòu)陶瓷、高溫陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷軸承、陶瓷球、半導體陶瓷(搬運臂、陶瓷劈刀、靜電卡盤、蝕刻環(huán)……)、3D打印陶瓷、燃料電池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纖陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

 

3、陶瓷基板及封裝外殼:陶瓷封裝外殼、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜電路板、厚膜電路板、陶瓷封裝基座、熱沉、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹、莫來石粉體及基板等;

 

4、金屬材料:銀粉、金粉、銅粉、鎳粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用內(nèi)/外電極漿料、LTCC銀漿、金漿、鎢鉬漿料、銅漿、靶材、無氧銅帶、可伐合金、金屬沖壓件等;

 

5、助劑:陶瓷和導電漿料用分散劑、黏合劑、增塑劑、絮凝劑、礦化劑、消泡劑、潤滑劑、燒結(jié)助劑等;

 

6、設(shè)備:

 

陶瓷加工設(shè)備:砂磨機、球磨機、真空脫泡機、三輥機、噴霧造粒機、干壓機、流延機、注塑機、3D打印機、模具、干燥設(shè)備、研磨機、精雕機、裁片機、激光設(shè)備、打孔機、填孔機、絲網(wǎng)印刷機、疊層機、層壓機、等靜壓機、熱切機、整平機、排膠爐、燒結(jié)爐、釬焊設(shè)備、電鍍設(shè)備、化學鍍、噴銀機、浸銀機、端銀機、真空鍍膜設(shè)備、顯影設(shè)備、去膜設(shè)備、蝕刻機、濕制程設(shè)備、等離子清洗、超聲波清洗、自動化設(shè)備、剝離強度測試儀、AOI檢測設(shè)備、打標機;

 

封裝測試設(shè)備:貼片機、引線鍵合機、封蓋機、平行縫焊封帽、切筋機、釬焊設(shè)備、激光調(diào)阻機、網(wǎng)絡(luò)分析儀、熱循環(huán)測試設(shè)備、測厚儀、氦氣檢漏儀、老化設(shè)備、外觀檢測、超聲波掃描顯微鏡、X-光檢測、激光打標、分選設(shè)備、測包編帶機等;

 

7、耗材:離型膜、載帶(塑料和紙質(zhì))、耐火材料、承燒板/匣缽(氧化鋁、剛玉莫來石、氮化硼等)、承燒網(wǎng)、發(fā)泡膠、研磨耗材(金剛石微粉、研磨液)、精密網(wǎng)版、清洗劑、電鍍藥水等。

 

二、熱管理產(chǎn)業(yè)鏈:

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1、熱管理材料:氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、石墨烯、石墨、碳納米管、空心玻璃微珠、導熱粉體、散熱基板、熱沉(鎢銅、鉬銅、氮化鋁、金剛石等)、鋁碳化硅AlSiC、相變材料、導熱凝膠、導熱界面材料、導熱墊片、導熱膠帶、灌封膠、熱管/均熱板;

 

2、散熱器件:半導體制冷片(TEC)、IGBT散熱器(銅、鋁)、大功率晶體管散熱器、通信基站散熱殼體、液態(tài)金屬散熱器、插針式散熱器等;

 

3、設(shè)備:壓延機、涂布機、分條機、模切機、復卷機、切片機,CNC設(shè)備、壓鑄/沖壓設(shè)備、熱分析儀器、激光導熱儀、導熱系數(shù)儀、強度試驗機、檢測設(shè)備、自動化等。

 

三、功率半導體器件封裝產(chǎn)業(yè)鏈:

 

1、材料:碳化硅,陶瓷襯板(DBC、AMB)、封裝管殼、鍵合絲、散熱基板(銅、鋁碳化硅AlSiC)、導熱硅凝膠、環(huán)氧灌封膠、焊料(預制焊片)、銀膜/銀膏、散熱器(銅、鋁)、功率引出端子(銅端子)、外殼(工程塑料PPS、PBT、高溫尼龍)、清洗劑等;

2、設(shè)備及配件:真空焊接爐、貼片機、固晶機、引線鍵合機、X-ray、推拉力測試機、等離子清洗設(shè)備、點膠機、絲網(wǎng)印刷機、超聲波掃描設(shè)備、動靜態(tài)測試機、點/灌膠機、銀燒結(jié)設(shè)備、垂直固化爐、甲酸真空共晶爐、自動封蓋設(shè)備、高速插針機、彎折設(shè)備、超聲波焊接機、視覺檢測設(shè)備、推拉力測試機、高低溫沖擊設(shè)備、功率循環(huán)測試設(shè)備、打標機、檢驗平臺、治具等;

 

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