近“0”空洞率！AMB-Si3N4基板的活性钎焊技术

功率器件用陶瓷覆铜基板的材料目前主要有氧化铝（Al2O3 ）、氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4 ）等。随着第三代功率芯片（如 SiC、GaN）制备技术的成熟，更高功率密度和更高工作环境温度导致 Al2O3 和 AlN 覆铜基板的高低温循环冲击次数迅速下降，可靠性降低，不能满足使用要求。氮化硅陶瓷覆铜基板优异的高可靠性使其成为高铁、电动汽车等领域功率模块最有前途的基板材料之一。

表三种陶瓷基板材料物理力学性能对比

● Al2O3 覆铜基板主要采用直接覆铜方法（Direct Bonded Copper，DBC）制备，其热导率低，散热能力有限，多用于功率密度不高且对可靠性没有严格要求的领域。

● AlN 覆铜基板主要采用具有更高可靠性的活性金属钎焊工艺（Active Metal Brazing，AMB），由于氮化铝 AMB覆铜基板具有较高的散热能力，从而适用于一些高功率、大电流的工作环境，但是由于机械强度相对较低，使得 AlN-AMB覆铜基板的高低温循环冲击寿命有限，限制了其应用范围。

● 氮化硅 AMB 覆铜基板（Si3N4-AMB）以其高强度、高韧性、耐高温、可靠性高等优异的综合热力学性能成为较有前途的候选材料之一。Si3N4-AMB覆铜基板不仅具有与 AlN 相当的散热能力，而且其使用寿命可以提高一个数量级以上。

随着电力电子向高功率、大电流、高能量密度的方向快速发展，市场对于更高可靠性的氮化硅陶瓷覆铜基板的需求越来越迫切。界面空洞率是衡量AMB陶瓷覆铜基板性能的重要指标之一，也是国内Si3N4-AMB产品难以突破的瓶颈之一。

1、Si3N4-AMB基板的制备工艺

活性金属钎焊法(Active MetalBrazing，AMB)制备的氮化硅陶瓷覆铜基板具有工艺简单、污染小、服役温度高和可靠性强的优势。AMB主要工艺流程为在无氧铜片和陶瓷板间放置银铜钛焊片或印刷银铜钛焊膏，然后置于800~900℃的高真空环境中进行钎焊，形成铜-钎料-Si3N4-钎料-铜的结构。其中活性钎料的制备和活性金属钎焊是目前的重点和难点。

图 Si3N4-AMB覆铜陶瓷基板工艺流程

Ti、Zr、Hf、V、Nb等是常见的几种活性金属元素，可以浸润陶瓷表面，被广泛用于陶瓷与金属的活性封接。其中以Ti为活性元素的Ag-Cu-Ti系合金是研究最多、实际应用最为广泛的一种活性钎料，其在800~950 ℃的温度下可以润湿大多数陶瓷表面，钎焊接头强度高、性能稳定，从而可以较好地实现陶瓷和金属、陶瓷和陶瓷的封接。

图源亚通新材招股说明书

Ag-Cu-Ti系活性钎料的使用形式随Ti元素的形态、钎料的组合方式不同而有所不同：①预涂Ti粉(或TiH,粉)膏剂，然后加预成形焊片(通常为Ag72Cu28合金焊片)；②预先在陶瓷表面以PVD(物理气相沉积)或CVD(化学气相沉积)镀一层Ti薄膜，然后再加Ag-Cu钎料。③使用Ag-Cu-Ti焊片；④使用Ag-Cu-Ti焊膏。

2、Si3N4-AMB界面空洞的形成原因

AMB覆铜陶瓷基板一般采用银铜钛焊片或印刷焊膏，但这两种方法都存在一定局限：

①焊片工艺所用的银铜钛焊片在制备过程中容易出现活性元素Ti的氧化、偏析问题，导致成材率极低，焊接接头性能较差。

②对于焊膏工艺，在高真空中加热时有大量有机物挥发，导致钎焊界面不致密，出现较多空洞，使得基板在服役过程中易出现高压击穿、诱发裂纹的问题。

③释放的有机挥发物会造成污染，影响使用寿命。

图银铜钛活性焊膏，来源：亚通新材

使用银铜钛活性钎料制备Si3N4陶瓷覆铜基板时，导致界面空洞的原因主要有几点：

①原料表面质量：焊接前陶瓷和无氧铜表面的划痕、凹坑、氧化、有机污染的问题都会对焊料的润湿铺展造成负面影响，为钎焊界面带来了潜在的空洞风险。

②焊料印刷质量：大面积焊膏印刷过程中，较易出现焊膏漏印、印刷不均匀的问题，焊料熔化后一旦没有铺展覆盖这些漏印区域，就会直接导致空洞的形成。

③活性元素失活：AgCuTi焊膏中的活性元素Ti对氧十分敏感，高温钎焊过程中，往往要求真空度优于10^-3Pa，若真空度无法满足焊接要求导致Ti氧化失活，焊料无法润湿Si3N4陶瓷表面，会造成大面积虚焊、漏焊等现象。

④焊膏挥发气体：钎焊过程中，焊膏中挥发出的气体会被助焊剂包裹形成气泡，此外助焊剂中的有机酸和金属氧化物反应也会产生气泡，随着反应的进行气泡逐渐变大，排出的气泡会在焊膏表面留下密密麻麻的气孔，而未排出的气泡同样会随着焊料熔化凝固的过程滞留在钎焊界面处，形成空洞。

⑤钎焊工艺参数：Ag-Cu-Ti活性钎料往往在800 ℃以上才能润湿Si3N4表面，若钎焊温度过低或保温时间过短，将会使得Ti与陶瓷表面的反应不够充分，导致钎料无法完全润湿陶瓷表面。

3、降低Si3N4-AMB空洞率的措施

AMB氮化硅覆铜基板的制备过程中，在空洞率控制方面，高真空或高真空+惰性气体的钎焊环境、预脱脂的钎焊工艺、适当的钎焊压力、原材料的清洗（对Si3N4陶瓷和铜片进行除油和除氧化处理）都可以降低钎焊界面空洞率。张义政等人以空洞率为指标，对原材料前处理、AMB工艺参数（焊接压力和焊接温度）进行全因子试验设计（DOE）及方差分析，结果表明焊接压力是空洞率最主要的影响因素，较大的钎焊压力有助于减少钎焊界面的空洞率。华中科技大学李伸虎、吴懿平等人采用AgCuTi活性焊膏作为钎料，研究了预脱脂工艺和不同钎焊压力对氮化硅陶瓷覆铜基板界面空洞率的影响，结果表明，采用预脱脂工艺能显著降低界面空洞率，在预脱脂且施加400N钎焊压力的工艺条件下，界面空洞率近乎为0，界面剥离强度可达17.3 N/mm。

资料来源：

1.《银铜钛焊膏制备Si3N4陶瓷覆铜基板工艺》，李伸虎、吴懿平等；

2.《氮化硅覆铜基板活性钎焊研究进展》，李伸虎、吴懿平等；

3.《Si3N4覆铜基板的界面空洞控制技术》，张义政等；

4.《氮化硅陶瓷覆铜基板制备及可靠性评估》，余晓初等.

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一、暂定议题

序号	暂定议题	拟邀请企业
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2	氮化铝基板和器件与半导体应用	华清电子向其军博士
3	先进陶瓷材料制备与智能化实验平台	北京科技大学教授白洋
4	高性能氮化铝和氧化铝粉体连续式生产关键工艺技术	中铝新材料事业部总经理吴春正
5	多孔陶瓷的研究进展及在半导体领域的应用	拟邀请多孔陶瓷企业/高校研究所
6	LTCC技术在半导体晶圆探针卡中的应用	拟邀请探针卡企业/高校研究所
7	CVD用绝缘高导热氮化铝陶瓷加热器的研发	拟邀请陶瓷加热盘企业/高校研究所
8	耐等离子腐蚀的氧化钇陶瓷的开发与应用	拟邀请氧化钇陶瓷企业/高校研究所
9	高强度高耐磨的氮化硅陶瓷材料的开发	拟邀请氮化硅陶瓷企业/高校研究所
10	碳化硅陶瓷结构件在集成电路制造关键装备中的应用	拟邀请碳化硅陶瓷企业/高校研究所
11	半导体装备用陶瓷静电卡盘关键技术	拟邀请静电卡盘企业/高校研究所
12	高纯氧化铝陶瓷制备工艺及其在半导体领域的应用	拟邀请氧化铝陶瓷企业/高校研究所
13	真空钎焊设备在半导体领域的应用	拟邀请真空钎焊企业/高校研究所
14	高精度复杂形状碳化硅陶瓷制备工艺研究	拟邀请碳化硅陶瓷企业/高校研究所
15	半导体设备用陶瓷的成型工艺技术	拟邀请成型设备企业/高校研究所
16	高强度氮化硅粉体制备工艺技术及产业化	拟邀请氮化硅粉体企业/高校研究所
17	第三代功率半导体封装用AMB陶瓷覆铜基板	拟邀请AMB企业/高校研究所
18	覆铜陶瓷基板的失效机理分析及可靠性设计	拟邀请陶瓷基板企业/高校研究所
19	特种陶瓷高温烧结工艺技术	拟邀请热工装备企业/高校研究所
20	半导体设备用陶瓷零部件表面处理技术	拟邀请表面处理/陶瓷零部件企业