影響消費者購買電動汽車的主要因素為里程+充電焦慮，為此國內多家知名車企已積極布局800V高壓快充車型。在政策支持、行業技術標準持續完善等因素的推動下，高壓快充技術應用規模將持續擴大。
SiC在高頻、高壓、高溫等工作場景中，有易散熱、小體積、低能耗、高功率等明顯優勢，應用在新能源汽車上時，擁有高壓+長續航的先天性能優勢。SiC“上車”是新能源汽車產業的熱點話題。
AMB陶瓷基板成SiC功率器件首選
陶瓷基板按照工藝主要分為DBC、AMB、DPC、HTCC、LTCC等基板，按照基板材料劃分主要為氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si3N4)，其中氧化鋁陶瓷基板最常用，主要采用DBC工藝；氮化鋁陶瓷基板導熱率較高，主要采用DBC和AMB工藝；氮化硅可靠性優秀，主要采用AMB工藝。
直接覆銅（DBC）陶瓷基板是通過共晶鍵合法制備而成，銅和陶瓷之間沒有粘結材料，在高溫服役過程中，往往會因為銅和陶瓷（Al2O3或AlN）之間的熱膨脹系數不同而產生較大的熱應力，從而導致銅層從陶瓷表面剝離，因此傳統的DBC陶瓷基板已經難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求。活性金屬釬焊（AMB）基板主要是將活性釬料通過厚膜印刷或以焊片形式置于陶瓷載板表面層，再將銅箔層放置在覆有金屬焊料的陶瓷載板兩側，形成銅-釬料-陶瓷-釬料-銅的結構，并依次層疊組裝、真空燒結，使陶瓷、釬料和銅箔三者成緊密焊接，而后經曝光、顯影、蝕刻和表面處理等工藝制成的產品。通過AMB工藝形成的銅/陶瓷界面粘結強度更高，且相比Al2O3和AlN，Si3N4陶瓷同時兼顧了優異的機械性能和良好的導熱性，因此Si3N4-AMB覆銅基板在高溫下的服役可靠性更強，是SiC器件封裝基板的首選。AMB基板作為SiC功率模塊的核心配套材料，將伴隨SiC功率模塊上車在新能源汽車領域取得突破，除此之外高性能AMB基板還能應用在光伏新能源、軌道交通等終端行業中的IGBT模塊、SiC功率器件、碳化硅超高壓電控及電驅平臺等。釬焊是AMB陶瓷基板制程中最重要的工序，活性釬料的制備和活性金屬釬焊是目前的重點和難點。Ti、Zr、Hf、V、Nb等是常見的幾種活性金屬元素，可以浸潤陶瓷表面，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、實際應用最為廣泛的一種活性釬料，其在800~950 ℃的溫度下可以潤濕大多數陶瓷表面，釬焊接頭強度高、性能穩定，從而可以較好地實現陶瓷和金屬、陶瓷和陶瓷的封接。Ag-Cu-Ti系活性釬料的使用形式包括以下四種，隨Ti元素的形態、釬料的組合方式不同而有所不同：①預涂Ti粉(或TiH,粉)膏劑，然后加預成形焊片(通常為Ag72Cu28合金焊片)；②預先在陶瓷表面以PVD(物理氣相沉積)或CVD(化學氣相沉積)鍍一層Ti薄膜，然后再加Ag-Cu釬料。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程中容易出現活性元素Ti的氧化、偏析問題，導致成材率極低，焊接接頭性能較差。②對于焊膏工藝，在高真空中加熱時有大量有機物揮發，導致釬焊界面不致密，出現較多空洞，使得基板在服役過程中易出現高壓擊穿、誘發裂紋的問題。使用銀銅鈦活性釬料制備AMB陶瓷覆銅基板時，導致界面空洞的原因主要有幾點：①原料表面質量：焊接前陶瓷和無氧銅表面的劃痕、凹坑、氧化、有機污染的問題都會對焊料的潤濕鋪展造成負面影響，為釬焊界面帶來了潛在的空洞風險。②焊料印刷質量：大面積焊膏印刷過程中，較易出現焊膏漏印、印刷不均勻的問題，焊料熔化后一旦沒有鋪展覆蓋這些漏印區域，就會直接導致空洞的形成。③活性元素失活：AgCuTi焊膏中的活性元素Ti對氧十分敏感，高溫釬焊過程中，往往要求真空度優于10-3Pa，若真空度無法滿足焊接要求導致Ti氧化失活，焊料無法潤濕陶瓷表面，會造成大面積虛焊、漏焊等現象。④焊膏揮發氣體：釬焊過程中，焊膏中揮發出的氣體會被助焊劑包裹形成氣泡，此外助焊劑中的有機酸和金屬氧化物反應也會產生氣泡，隨著反應的進行氣泡逐漸變大，排出的氣泡會在焊膏表面留下密密麻麻的氣孔，而未排出的氣泡同樣會隨著焊料熔化凝固的過程滯留在釬焊界面處，形成空洞。⑤釬焊工藝參數：Ag-Cu-Ti活性釬料往往在800 ℃以上才能潤濕Si3N4表面，若釬焊溫度過低或保溫時間過短，將會使得Ti與陶瓷表面的反應不夠充分，導致釬料無法完全潤濕陶瓷表面。AMB氮化硅覆銅基板的制備過程中，在空洞率控制方面，高真空或高真空+惰性氣體的釬焊環境、預脫脂的釬焊工藝、適當的釬焊壓力、原材料的清洗（對陶瓷和銅片進行除油和除氧化處理）都可以降低釬焊界面空洞率。2.《銀銅鈦焊膏制備Si3N4陶瓷覆銅基板工藝》，李伸虎、吳懿平等；3.《氮化硅覆銅基板活性釬焊研究進展》，李伸虎、吳懿平等；4.《Si3N4覆銅基板的界面空洞控制技術》，張義政等；5.《氮化硅陶瓷覆銅基板制備及可靠性評估》，余曉初等.為加快產業上下游企業交流，艾邦建有IGBT/SiC功率半導體產業鏈交流，歡迎識別二維碼加入產業鏈微信群及通訊錄。 Elaine 張：134 1861 7872(同微信）或者復制網址到瀏覽器后，微信注冊報名：https://www.aibang360.com/m/100190?ref=460932
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原文始發于微信公眾號（艾邦半導體網）：SiC功率器件核心材料——AMB陶瓷基板及釬焊工藝
