AMB、DBC借IGBT之風(fēng)，伴隨新能源與電動車領(lǐng)域發(fā)展迅猛

國內(nèi)較為常見的陶瓷基板材料有 Al2O3、AlN和Si3N4陶瓷基板，AIN和Si3N4逐漸開始采用 AMB 工藝。根據(jù)范彬彬在《陶瓷與金屬連接的研究及應(yīng)用進展》對陶瓷的研究發(fā)現(xiàn)，基板覆銅的具體工藝因陶瓷材料的種類不同而有所差異，對于Al2O3陶瓷基板主要采用直接覆銅工藝(DBC)，AlN陶瓷基板可采用DBC或AMB工藝， Si3N4陶瓷基板在生產(chǎn)中較為廣泛使用的是 AMB 工藝。自上世紀50年代以來，電力電子器件從晶閘管過渡到 GTR/GTO/MOSFET，逐漸發(fā)展到絕緣柵雙極晶體管 (Insulate-Gate Bipolar Transistor, IGBT)。與前兩代相比， 第三代電力電子器件 (如 IGBT) 具有頻率高、功率大和開關(guān)速度快等優(yōu)勢，在國防軍事、航天航空、電動牽引、軌道交通、新能源汽車以及家用電子器件領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用。

　　由于 IGBT 輸出功率高，發(fā)熱量大，散熱不良將損壞 IGBT 芯片，因此對 IGBT 封裝而言，散熱是關(guān)鍵，必須選用陶瓷基板強化散熱。氮化鋁、氮化硅陶瓷基板具有熱導(dǎo)率高、與硅匹配的熱膨脹系數(shù)、高電絕緣等優(yōu)點，非常適用于IGBT以及功率模塊的封裝。廣泛應(yīng)用于軌道交通、航天航空、電動汽車、智能電網(wǎng)、太陽能發(fā)電、變頻家電、UPS等領(lǐng)域。根據(jù)《電子封裝陶瓷基板》的研究顯示，目前 IGBT 封裝主要采用 DBC 陶瓷基板。主要因為DBC基板金屬線路層較厚 (一般為100μm ~ 600μm)，具有載流能力大、耐高溫性好及可靠性高等特點。

　　DBC 陶瓷基板制備首先在(Cu)和陶瓷基片(Al2O3 或 AIN)引入氧元素，然后在1065°C 形成 Cu/O 共晶相(金屬銅熔點為1083°C)，進而與陶瓷基片和銅箔發(fā)生反應(yīng)生成 CuAl02 或 Cu(Al0)，實現(xiàn)銅箔與陶瓷間共晶鍵合。由于陶瓷和銅具有良好的導(dǎo) 熱性，且銅箔與陶瓷間共晶鍵合強度高，因此DBC基板具有較高的熱穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用于絕緣柵雙極二極管(IGBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPV) 等器件封裝散熱中。

　　由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高，金屬-陶瓷界面應(yīng)力大，因此 AMB 技術(shù)越 來越受到業(yè)界關(guān)注，特別是采用低溫活性焊料。并且 AMB 方法比較簡單，封接件性 能也比較可靠，因此后來發(fā)展較快，成為電子器件中常用的陶瓷－金屬接合方法之一，而且，如今特別適合于非氧化物陶瓷的接合，可以設(shè)想，日后 AMB 技術(shù)將在電子、電力、航空、航天等工業(yè)上發(fā)揮很大的作用。根據(jù)《電子封裝陶瓷基板》的研究中顯示，DBC和AMB制備中除了工藝不同，是否有氧元素參與是主要區(qū)別之一，因此 Al2O3不適用AMB法。AMB 陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接。活性焊料通過在普通金屬焊料中添加 Ti、Zr、Hf、V、Nb 或 Ta 等稀土元素制備， 由于稀土元素具有高活性，可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性，使陶瓷表面可與金屬實現(xiàn)焊接。AMB基板制備技術(shù)是 DBC 基板工藝的改進 (DBC 基板制備中銅箔與陶 瓷在高溫下直接鍵合，而AMB基板采用活性焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合)，通過選用活性焊料可降低鍵合溫度 (低于 800°C)，進而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力。此外，AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)鍵合，因此結(jié)合強度高，可靠性好。但是該方法成本較高，合適的活性焊料較少，且焊料成分與工藝對焊接質(zhì)量影響較大。

　　而隨著光伏、風(fēng)電蓬勃發(fā)展，新能源汽車滲透率提高，功率模塊帶動 AlN 陶瓷 基板需求增長。IGBT 功率器件是光伏、風(fēng)力發(fā)電時電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，同時也在新能源汽車的電動機等核心部件中起著關(guān)鍵作用，隨著光伏、風(fēng)電占比的不斷提高，功率器件以及封裝所用陶瓷基板的需求將迎來大規(guī)模增長。在傳統(tǒng)的 IGBT模塊中，氧化鋁陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，但氧化鋁陶瓷基片相對低的熱導(dǎo)率、與 硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好，隨著新能源汽車向著高壓化、高功率化發(fā)展，氧化鋁已不再適合作為封裝材料。近年來，AlN、Si3N4 陶瓷基板以其耐高溫和熱穩(wěn)定性好、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異的性能，在 IGBT 模塊封裝中得到青睞， 逐步替代 Al2O3 陶瓷基板。此外，新能源汽車用 IGBT 模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù) 百安培的大電流，對電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，車載環(huán)境中還要承受一定的振動和沖擊力，機械強度要求高，因此Si3N4憑借其硬度高、機械性能好的特性在新能源 車用 IGBT 模塊中得到了更廣泛的應(yīng)用。隨著光風(fēng)儲能與新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展帶動功率模塊需求激增，氮化鋁與氮化硅陶瓷基板的市場也隨之擴大。