AMB基板：碳化硅模塊封裝新趨勢

轉自：碳化硅芯觀察

碳化硅作為下一代功率器件典型代表，具有高溫高頻特性，對于電池效率提升和成本降低都有明顯優(yōu)勢。目前車用進展推進迅速，實際上除了芯片技術外，封裝技術也非常關鍵，新的封裝材料和新的封裝技術層出不窮。對于軌道交通、電動汽車用的高壓、大電流、高功率功率模塊來說，散熱和可靠性是其必須解決的關鍵問題。

對于模塊的散熱結構來說，基板的選擇尤為重要，目前主流的功率半導體模塊封裝主要還是用DBC（直接鍵合銅）陶瓷基板。

直接鍵合銅(DBC)陶瓷基板是在1000℃以上的高溫條件下，在含氧的氮氣中加熱，使銅箔和陶瓷基板通過共晶鍵合的方式牢固結合在一起，其鍵合強度高且具有良好的導熱性和熱穩(wěn)定性。

DBC陶瓷基板制備工藝流程

DBC基板在電力電子模塊技術中，主要是作為各種芯片(IGBT芯片、Diode芯片、電阻、SiC芯片等)的承載體，DBC基板通過表面覆銅層完成芯片部分連接極或者連接面的連接，功能近似于PCB板，同時DBC基板還與散熱基板相連，最終把整個模塊的熱量散發(fā)出去。

AMB逐漸成為電子電子模塊封裝的新趨勢

隨著車用等市場的爆發(fā)，碳化硅功率模塊的應用逐漸成熟，AMB逐漸成為電子電子模塊封裝的新趨勢。據悉，AMB的熱導率比DBC氧化鋁高3倍，且機械強度及機械性能更好，對比同樣封裝形勢下氧化鋁和碳化硅陶瓷基板功率模塊，使用過程中碳化硅熱阻降低約10%，提升電瓶輸出能力。

AMB陶瓷基板產品及其(b)截面圖

AMB基板制備技術是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部熱應力。

AMB覆銅板三種材料

根據陶瓷材質的不同，目前成熟應用的AMB陶瓷基板可分為：氧化鋁、氮化鋁和氮化硅基板。

① AMB氧化鋁基板

相對地，氧化鋁板材來源廣泛、成本最低，是性價比最高的AMB陶瓷基板，工藝最為成熟。但由于氧化鋁陶瓷的熱導率低、散熱能力有限，AMB氧化鋁基板多用于功率密度不高且對可靠性沒有嚴格要求的領域。

② AMB氮化鋁基板

AMB基板具有較高的散熱能力，從而更適用于一些高功率、大電流的工作環(huán)境。但是由于機械強度相對較低，氮化鋁AMB覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，從而限制了其應用范圍。

AMB氮化鋁基板

氮化鋁AMB基板具有較高的散熱能力，從而更適用于一些高功率、大電流的工作環(huán)境。但是由于機械強度相對較低，氮化鋁AMB覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，從而限制了其應用范圍。

③ AMB氮化硅基板

氮化硅陶瓷，具有α-Si3N4和β-Si3N4兩種晶型，其中α相為非穩(wěn)定相，在高溫下易轉化為穩(wěn)定的β相。高導熱氮化硅陶瓷內β相的含量一般大于40%。憑借氮化硅陶瓷的優(yōu)異特性，AMB氮化硅基板有著耐高溫、抗腐蝕和抗氧化和功率密度超高等優(yōu)勢：

● AMB氮化硅基板具有高熱導率

AMB氮化硅基板具有較高的熱導率（>90W/mK），厚銅層（達800μm）還具有較高熱容量以及傳熱性。因此，對于對高可靠性、散熱以及局部放電有要求的汽車、風力渦輪機、牽引系統(tǒng)和高壓直流傳動裝置等來說，AMB氮化硅基板可謂其首選的基板材料。

AMB氮化硅基板

此外，活性金屬釬焊技術，可將非常厚的銅金屬（厚度可達0.8mm）焊接到相對較薄的氮化硅陶瓷上。因此，其載流能力較高，而且傳熱性也非常好。

● AMB氮化硅基板具有低熱膨脹系數

氮化硅陶瓷的熱膨脹系數（2.4ppm/K）較小，與硅芯片（4ppm/K）接近，具有良好的熱匹配性。因此，AMB氮化硅基板，非常適用于裸芯片的可靠封裝，封裝后的組件不容易在產品的生命周期中失效。

AMB的主要優(yōu)勢是更適用于車規(guī)級等對可靠性要求比較高的領域。

AMB是在DBC技術的基礎上發(fā)展而來的，相比于傳統(tǒng)的DBC基板，采用AMB工藝制備的陶瓷基板，不僅具有更高的熱導率、更好的銅層結合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢。

目前，高鐵上的大功率器件控制模塊中AMB基板逐漸成為主流應用；另外，在風能、光伏、電動汽車也開始得到越來越多的應用，而在第三代半導體中，針對SiC基/GaN基三代半導體器件高頻、高溫、大功率的應用需求，為實現大功率電力電子器件高密度三維模塊化封裝，DBC基板無法滿足需求，AMB更是首選的模塊封裝材料。

隨著下游市場的增加，AMB基板市場空間也快速增長，據測算，2018年斯達收入6.75億，采購4890萬的的DBC基板，2021年預計全球500億IGBT市場，合計需求接近40億的DBC基板；預計2025年全球1000億IGBT/SIC市場，國內500億。假設AMB滲透率達到50%，且價格假設是DBC的2倍（當前價格差數倍，考慮規(guī)模量產后價差縮?。?，則對應2025年全球和國內AMB基板分別為80億元、40億元。

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