本節將粗略介紹三種陶瓷基板材料，即Al2O3-DBC，AlN-DBA以及Si3N4-AMB材料的性能與可靠性表現。

Al2O3陶瓷材料被廣泛應用于功率器件封裝之中，其所擁有的良好熱-電性能特性以及相對低廉的價格使之在市場中占有絕對優勢。然而當器件的應用領域更為嚴苛時，封裝廠商將需要基板材料達到更為優異的熱導率以及機械特性，因此AlN與Si3N4陶瓷材料被引進入功率封裝之中。

下表是此三種陶瓷材料以及相應金屬層的基本特性參數。

由上表可知，AlN材料在其中擁有最優秀的熱導率和最差的機械特性（彎曲強度），而Si3N4材料擁有次好的熱導特性以及最佳的機械性能。

Al2O3-DBC基板

DBC（Directed bonder copper）技術產生于上世紀70年代，用于在Al2O3陶瓷以及AlN陶瓷表面覆蓋銅箔。

其基本原理如下圖所示，Al2O3與Cu在高溫（1065-1080℃）、微氧環境下（~39ppm）生成[Cu-O]共晶產物從而實現連接。

Al2O3陶瓷材料與Cu產生反應時表面濕潤度較好，有助于生成[Cu-Cu2O]合金結構，其基本反應如下：

通過預氧化Cu箔，生成Cu2O可以提升Al2O3表面濕潤度，提高反應效率。

AlN-DBA基板

DBC技術適用于Al2O3陶瓷材料，然而AlN陶瓷材料中的Al-N難以與Cu直接產生反應，因此需要通過與氧氣在極高溫度（1200℃）下產生反應，生成Al2O3層（1~2um），進而可以重復DBC工藝步驟，產生AlN-DBC陶瓷基板材料。

但以上反應效率過低，工藝過于復雜，不利于產品的成本降低。

Al金屬材料與AlN陶瓷的具有接觸親和性，可以實現低溫條件下（鋁的熔點為660℃）的物理濕潤，沒有化學反應產生，且AlN-Al之間的粘結強度很大，具有優異的抗熱震疲勞特性，是一種優異的陶瓷基板材料組合。

Si3N4-AMB基板

Si3N4陶瓷材料具有優異的熱導率以及抗機械疲勞特性，是一種優異的電力電子器件封裝用的陶瓷材料。然而由于Si3N4與Cu極難產生反應，且Si3N4陶瓷表面的濕潤度極其不友好，造成了此種陶瓷材料難以形成電力電子用的表面金屬層。

AMB（Active metal brazing-活性金屬釬焊）技術通過Ag,Cu,Ti等活性釬料在Si3N4陶瓷材料與Cu金屬箔表面形成連接層，從而產生優秀的功率器件用的陶瓷基板材料。TiAgCu的三元相圖如下：

AMB工藝如下所示：

可靠性表現對比

作者收集部分陶瓷基板材料的可靠性表現供各位參考，由于各測試所采用的溫度范圍以及時間方案各不相同，故無法提供直接有效的數據對比。

根據以上數據可知，減薄陶瓷材料表面覆銅的厚度，可以顯著提升基板的溫度循環可靠性表現，然而金屬層厚度的降低將影響基板的散熱性能不利于器件在高功率密度下工作。通過dimples（打孔）可降低基板邊界上的應力集中，提升可靠性且不會顯著降低基板的熱傳導特性。

在數據對比中，Al2O3-DBC與AlN-DBC陶瓷基板的溫度循環數最少；AlN-DBA材料的溫度循環測試結果最佳，其原因是由于Al金屬材料更為柔軟，施加在陶瓷材料上的應力較小。

雖然AlN-DBA陶瓷材料在溫度循環測試中的擁有最佳的可靠性表現，但在功率循環測試中，AlN-DBA基板表面由于Al金屬層的膨脹收縮作用（塑性形變與再結晶現象）從而增加表面粗糙度，降低基板表面的焊料層（solder）的可靠性，引起器件失效。

下圖為溫度循環后的AlN-DBA基板表面粗糙度變化。

下圖為功率循環測試后的器件表面變化（有點夸張）

來源：廣東能芯

長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄左側“微信群”，申請加入交流群。