DBA基板未来应用领域分析

随着电子技术的飞速发展，各种新型材料也不断涌现。其中，直接覆铝陶瓷基板（DBA基板）因其优良的性能表现备受瞩目，成为电子行业中备受关注的材料之一。

DBA直接覆铝陶瓷基板是一种新型的电子材料，将会成为未来电子材料领域的新宠。代表性的制造厂商，日本三菱、日本电化，目前国内头家量产企业为江苏富乐华。特别的，随着国内新能源汽车超级快充站、智能电网、高压光伏风电领域的迅速发展，对功率器件的高压、高功率密度、强散热等需求更加迫切，作为直接覆铜DCB陶瓷基板已不能满足器件的散热需求。

  特性验证对比

本文还将以AMB氮化硅覆铜陶瓷基板与DBA氮化铝覆铝基板进行性能对比研究：

AMB氮化硅覆铜陶瓷载板主要采用活性金属焊料作为连接中间层，在真空钎焊条件下实现Cu箔与陶瓷的键合，活性金属焊料层能缓解铜与瓷片之间的热应力，具有理想的可靠性与散热性能；DBA直接覆铝载板，是在高温(高于660℃)条件下将铝液直接与AlN陶瓷进行浸润，经冷却后直接实现Al与AlN的键合，由于Al具有更低的强度，在冷热循环过程中，可以有效减缓铝与陶瓷间的热应力，具有优异的可靠性。目前氮化硅AMB陶瓷载板与DBA直接覆铝载板均是大功率器件的封装重要材料，且各有优势，本文将选取相关重要性能参数进行对比比较。

▲(a)氮化硅AMB母板载板,(b)氮化铝DBA母板载板

本研究选择SAM声波扫描检查界面空洞率、键合强度、高压局部放电性能、热循环可靠性、表面可焊性等性能进行对比验证测试。

① 载板超声波扫描空洞率验证

选取的氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板，对母板样品，尺寸为138×190mm，经表面清洗及图形转移、图形蚀刻后，进行超声波扫描，检查样品界面处的焊接空洞率，所用设备为InsightSAM声波扫描显微镜，可得AMB覆铜陶瓷载板与DBA陶瓷载板其界面空洞率均＜0.5%，AMB与DBA载板样品均具有超卓的焊合效果。

▲(a)氮化硅AMB母板载板SAM声波扫描图,(b)氮化铝DBA母板载板SAM声波扫描图

② 键合强度测试

氮化硅AMB载板母板与氮化铝DBA样品母板，样品制备成测试条图形，速度设定50mm/min，图形样品金属层宽度5mm，90°垂直向上剥离测试，采用剥离测试机为HY-BL型号。

▼氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板剥离强度

样品测试过程中，AMB样品均完成铜层与氮化硅陶瓷间的剥离，其剥离强度值达到13.97~14.63N/mm；DBA样品在测试过程中，随着夹头牵引铝层，进行缓慢提升，其剥离力急剧增长，达到设备极限98.0N时，设备迅速急停，发现铝层并未均匀拉起，铝层剥离测试时出现急剧颈缩，并断裂。可以判断，DBA金属铝层与氮化铝陶瓷间的键合强度值大于铝层的抗拉强度，估算其剥离强度＞19.6N/mm。

③ 载板局部放电性能验证

选取的氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板，该样品图形具有等效平板电容特征。在氟油中，局部放电测量仪的高压电极连接载板一面，载板另一面连接接地金属平板。分别在4.5kV、7.0Kv、9Kv的高压下进行持续时间为1min的绝缘局部放电测试。检测AMB覆铜载板与DBA直接覆铝载板的在高压条件下max局部放电量，进行性能对比，根据国际电工协会标准，以局部放电量＜10pC为判断标准进行评价。

▲局部放电测试示意图

▼氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板局部放电性能

氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板，在4.5Kv持续1min条件下，均满足局部放电量＜10pC的要求；在7.0Kv持续1min测试中，DBA载板仍然保持良好的局部放电特性，局部放电量＜10pC，AMB载板的局部放电量激增数百倍，测试的样品中局部放电量均大于1000pC；针对DBA样品继续升压进行9.0Kv持续1min条件下测试，DBA载板局部放电量＜10pC，高压条件下，氮化铝DBA载板局部放电性能优于氮化硅AMB载板。

④ 热循环可靠性验证

选取的氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板，置于TSE-12-A型号冷热循环试验箱中，进行热循环可靠性测试，测试条件为，-55℃/30min~150℃/30min中间转换时间小于60s，热循环测试3000次后，采用InsightSAM声波扫描显微镜进行界面检查。可知，氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板，均具有良好的热循可靠性。3000次热循环测试并未影响键合区的强度，陶瓷保持完整。

▲(a)氮化硅AMB载板0次热循环SAM超声波扫描图,(b)氮化铝DBA载板0次热循环SAM超声波扫描图,(c)氮化硅AMB载板3000次热循环SAM超声波扫描图,(d)氮化铝DBA载板3000次热循环SAM超声波扫描图

⑤ 表面可焊性验证

选取的氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板样品，分别进行化镀镍金，Ni层厚度为3.0~7.0μm，金层厚度为0.025~0.045μm，进行表面可焊性测试。

具体步骤操作为：在载板表面指定区域使用焊料进行涂刷（Sn-Ag3.5Cu0.5），平移置于288±5℃条件下的加热平台上，保持10-30s，充分熔融后，样品平移至冷却区域，目视检查所覆焊接区应光滑、无虚焊、漏焊等。测试结果，可知氮化硅AMB载板与氮化铝DBA载板样品均具有良好的可焊性能，测试表面焊锡区面积达≥95%以上。

 

▲(a)氮化硅AMB载板可焊性测试,(b)氮化铝DBA载板可焊性测试

结论分析：

本文重点针对AMB载板与DBA载板的相关性能进行测试，其中在焊接空洞率、键合强度、热循环可靠性、表面可焊性等测试过程中，均表现优异且符合商用载板的基本使用要求。AlN载板拥有较高的热导率120-180W/mK，与氮化硅AMB载板相比，考虑相当热导量性能条件下，采用的0.635mm的氮化铝陶瓷层厚度的氮化铝DBA载板具有更高的绝缘性能，主要体现在载板的局部放电性能上。在器件应用上，氮化铝DBA载板，高电压下局部放电量低，且其与Si芯片热膨胀系数匹配性好，适合大功率Si基大功率器件模块；氮化硅AMB载板，氮化硅陶瓷强度高（抗弯强度≥800Mpa），韧性好，其与SiC芯片热膨胀系数匹配性好，适合大功率SiC器件模块。

为满足器件在严苛环境下高压、大功率、高可靠性以及强散热需求下，DBA基板可选择厚度为0.635mm氮化铝陶瓷，DBA基板综合热导率可达到185-210W/m·k，是强散热需求器件的理想衬板。

  DBA基板未来应用领域分析

DBA技术是一种将铝基板与其他材料直接结合在一起的技术，通过该技术可以提高整个系统的散热效率、可靠性和节省成本。下面将分析DBA直接覆铝基板在高压输变电、智能电网、储能系统、超级充电站、轨交等半导体器件、高压光伏发电领域的应用情况。

① 高压输变电、智能电网

在高压输变电和智能电网领域，要求半导体器件具有高压、高温、高功率和高稳定性能。采用DBA直接覆铝基板可以提高半导体器件的散热效率，延长使用寿命，并且降低使用成本。

② 超级充电站

超级充电站需要快速充电和加强散热，以确保车辆充电的安全性和稳定性。采用DBA直接覆铝基板的快速热传导能力结合水冷散热，可迅速将热量排出，降低芯片结温，提高充电站的散热效率，增加充电速度，同时减少充电过程中的安全隐患。此外理想耐压可靠性，可以实现高压大功率需求。

③ 轨道交通

在轨交领域，要求半导体器件具有高压（2500V~6500V）、高温、高功率和高可靠性能，采用DBA直接覆铝基板不仅可以满足高压的严苛需求而且具有高可靠性，减少维护和更换成本。

④ 高压光伏风电领域

在高压光伏风电领域，要求半导体器件具有高压、高温、高功率和高稳定性能。采用高压器件可以进一步降低成本，减少损耗，采用DBA直接覆铝基板可以提高半导体器件的散热效率，器件功率密度可以进一步增加，大大降低使用成本。
        责任编辑：彭菁