聊一聊Si3N4 DBC和AMB陶瓷基板

前言

随着宽禁带半导体的发展，功率半导体器件往更高的功率密度，更高的芯片温度以及更高的可靠性方向发展，相应地也对于功率半导体模块封装的提出了更高的要求。包括我们前面聊到的无焊料，无键合线等互连技术趋势外，绝缘基板的选择也成为经常讨论的话题。

为了提高模块的散热性能，必须在芯片和底板之间放置一块具有高导热率的绝缘基板，在绝缘基板上构建电路互连的主要方法是DBC（直接键合铜），其中一个陶瓷绝缘层--具有非常好的电绝缘和电介质强度，直接粘合在两层铜之间。这些基板通常根据应用情况和其热性能、机械性能和电绝缘性能来进行选择。

早之前我们也有简单聊过绝缘基板

功率模块Ⅰ—— 绝缘衬底 和 功率模块Ⅱ —— 绝缘衬底金属化

常见的绝缘基板材料有氧化铝（Al2O3以及掺杂9%氧化锆的HPS）、氮化铝（AlN）、氮化硅（Si3N4）等。其中Al2O3算是最经济的选择，虽然它具有相对较高的机械强度，但是与其他材料相比，导热系数方面显得便弱了很多，相对来说不太契合后续功率器件的发展要求；AlN具有更高的导热率，CTE与硅几乎相同，有效地降低了分层和焊料疲劳等问题，但机械强度在较大的热循环中还不够有优势。Si3N4的CTE也非常接近半导体芯片，同时提供了很好的机械强度和热疲劳能力，但成本和供应相对来说算是一个“弱点”，但当下我们在高性能模块中还是很常见的，氮化硅基板的使用在未来应该会变得越为常见。

基于这个，我们再来聊一聊绝缘基板。

氮化硅DBC和AMB

DBC（直接键合铜）技术和AMB（活性金属钎焊）技术，目前最常见的两种基板敷铜工艺，下面是两种制造过程的简单示意图。

DBC的基本原理是在铜和陶瓷基板之间引入氧元素，在约1000℃时形成Cu/O共晶液相，进而与陶瓷基板进行粘附。但AlN和Si3N4等则需要首先在其表面进行一层氧化，才能够满足传统的DBC工艺。

AMB的基本原理是在900℃的温度下，含有活性元素Ti、Zr的焊料在陶瓷和金属的界面润湿并反应，从而实现粘合。

上面所示的SEM电镜扫描界面图，我们可以更为清楚地看到每一层。

Si3N4陶瓷基板特性   

热阻

铜金属化基板的热阻主要取决于陶瓷基本材料，下表是AlN和Si3N4基板搭配0.3mm的铜层后的热阻对比，由于热阻Rth和厚度成正比，所以氮化硅厚度是氮化铝一半时，热阻几乎一致。

并且我们可以看到，其他条件相同的前提下，Si3N4采用DBC和AMB的情况下热阻也几乎一样。

热冲击

为了了解几种不同陶瓷基板可靠性，通过热冲击测试对他们进行表征对比，下面是AlN、Al2O3、HPS、Si3N4(DBC&AMB)的对比。

我们可以看到，相同条件下，Si3N4的DBC基板比常见的Al2O3的DBC基板抗热冲击的能力提高了20倍，而其AMB基板（0.5mm铜层）更是超过了50倍。

电绝缘性能

对几种陶瓷基板进行了局部放电和击穿强度测试，测试条件：球电极50Hz交流电，变化速率1kV/s，在5kV下测量局部放电，增加电压直到出现击穿。测试结果如下，

所有陶瓷基板的电绝缘性能都还不错，所以一般我们都不太会谈及这方面的影响。

Layout 建议

AMB陶瓷基板的绝缘间隙必须略大于DBC的，去除钎焊材料的必要刻蚀工艺限制的这方面的最小尺寸。高功率密度的需求意味着更高的电流，而AMB允许更厚的铜层（0.3mm~0.8mm），即能够拥有更高的电流承载能力。

应用

下面是文章中给到的陶瓷基板隔离电压和导热系数相关的应用领域分布图，

以及不同陶瓷基板的特性优劣和对应的相关应用对比，

小结

今天的内容主要在于了解Si3N4的DBC和AMB陶瓷基板的相关特性，以及和几种主要陶瓷基板之间的比较。就像任何事情基本都会谈及的一个关键因素“成本”，我们更多的时候看到的还是传统的Al2O3 DBC基板，或者是为了增加机械强度而掺杂9%氧化锆的HPS基板。只有在一些追求性能更优，成本能够权衡的领域可以看到Si3N4 DBC或者AMB基板。

审核编辑：刘清