本節(jié)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(xiàn)。
Al2O3陶瓷材料被廣泛應(yīng)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(duì)低廉的價(jià)格使之在市場(chǎng)中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。然而當(dāng)器件的應(yīng)用領(lǐng)域更為嚴(yán)苛?xí)r，封裝廠商將需要基板材料達(dá)到更為優(yōu)異的熱導(dǎo)率以及機(jī)械特性，因此AlN與Si3N4陶瓷材料被引進(jìn)入功率封裝之中。
下表是此三種陶瓷材料以及相應(yīng)金屬層的基本特性參數(shù)。
由上表可知，AlN材料在其中擁有最優(yōu)秀的熱導(dǎo)率和最差的機(jī)械特性（彎曲強(qiáng)度），而Si3N4材料擁有次好的熱導(dǎo)特性以及最佳的機(jī)械性能。
Al2O3-DBC基板
DBC（Directed bonder copper）技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)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(huán)境下（~39ppm）生成[Cu-O]共晶產(chǎn)物從而實(shí)現(xiàn)連接。
Al2O3陶瓷材料與Cu產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)表面濕潤(rùn)度較好，有助于生成[Cu-Cu2O]合金結(jié)構(gòu)，其基本反應(yīng)如下：
通過預(yù)氧化Cu箔，生成Cu2O可以提升Al2O3表面濕潤(rùn)度，提高反應(yīng)效率。
AlN-DBA基板
DBC技術(shù)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(chǎn)生反應(yīng)，因此需要通過與氧氣在極高溫度（1200℃）下產(chǎn)生反應(yīng)，生成Al2O3層（1~2um），進(jìn)而可以重復(fù)DBC工藝步驟，產(chǎn)生AlN-DBC陶瓷基板材料。
但以上反應(yīng)效率過低，工藝過于復(fù)雜，不利于產(chǎn)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(shí)現(xiàn)低溫條件下（鋁的熔點(diǎn)為660℃）的物理濕潤(rùn)，沒有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，且AlN-Al之間的粘結(jié)強(qiáng)度很大，具有優(yōu)異的抗熱震疲勞特性，是一種優(yōu)異的陶瓷基板材料組合。
Si3N4-AMB基板
Si3N4陶瓷材料具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率以及抗機(jī)械疲勞特性，是一種優(yōu)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(chǎn)生反應(yīng)，且Si3N4陶瓷表面的濕潤(rùn)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(shù)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(chǎn)生優(yōu)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(xiàn)對(duì)比
作者收集部分陶瓷基板材料的可靠性表現(xiàn)供各位參考，由于各測(cè)試所采用的溫度范圍以及時(shí)間方案各不相同，故無法提供直接有效的數(shù)據(jù)對(duì)比。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)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(huán)可靠性表現(xiàn)，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(yīng)力集中，提升可靠性且不會(huì)顯著降低基板的熱傳導(dǎo)特性。
在數(shù)據(jù)對(duì)比中，Al2O3-DBC與AlN-DBC陶瓷基板的溫度循環(huán)數(shù)最少；AlN-DBA材料的溫度循環(huán)測(cè)試結(jié)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(yīng)力較小。
雖然AlN-DBA陶瓷材料在溫度循環(huán)測(cè)試中的擁有最佳的可靠性表現(xiàn)，但在功率循環(huán)測(cè)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(jié)晶現(xiàn)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(huán)后的AlN-DBA基板表面粗糙度變化。
下圖為功率循環(huán)測(cè)試后的器件表面變化（有點(diǎn)夸張）
來源：廣東能芯
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