AMB陶瓷基板在IGBT上的应用介绍

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是在金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和双极晶体管的基础上发展起来的一种新型复合功率器件，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、安全工作区大和可耐高电压和大电流等一系列优点，大规模应用于电动汽车、电力机车里的电机驱动以及并网技术、储能电站、工业领域的高压大电流场合的交直流电转换和变频控制等领域，是电力电子领域中最重要的大功率器件，是绿色经济的核“芯”。

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陶瓷电路板散热、载流能力突出，广泛应用于大功率场景。陶瓷基板又称陶瓷电路板，由陶瓷基片和布线金属层两部分组成。普通PCB 通常是由铜箔和基板粘合而成，而基板材质大多数为玻璃纤维（FR-4），酚醛树脂（FR-3）等材质，粘合剂通常是酚醛、环氧等。在 PCB 加工过程中由于热应力、化学因素、生产工艺不当等原因，或设计过程中由于两面铺铜不对称，很容易导致PCB 板发生不同程度的翘曲。

陶瓷 PCB 在基板材质和覆铜方式上均具备优势。材质上，Ceramic substrate由于散热性能、载流能力、绝缘性、热膨胀系数等，都要优于普通的玻璃纤维PCB 板材，从而被广泛应用于大功率电力电子模块、航空航天、军工电子等产品上；覆铜方式上，陶瓷 PCB 是在高温环境下，通过高/低温共烧、镀铜、覆铜等方式把铜箔和陶瓷基片拼合在一起，结合力强、铜箔不易脱落、可靠性高，在温度高、湿度大的环境下性能稳定。因此，陶瓷衬板能在 IGBT 中能起到较好的机械支撑+电路互联+电气绝缘+散热通路的功能。

随着我国新能源汽车、高铁、城市轨道交通以及智能电网的高速发展，对高压大功率IGBT模块的需求日益增长。由于GBT输出功率高、发热量大，芯片散热不良将导致IGBT模块失效。据报道，约70%的IGBT模块失效归因于散热不良引起的键合线剥离或熔断。芯片的散热主要通过IGBT模块中的陶瓷基板来实现，其作用是吸收芯片的产热并传导至热沉上，从而实现芯片与外界之间的热交换。

Si3N4陶瓷基板更多采用 AMB 工艺

根据材料分类，国内常用陶瓷基板材质主要为 Al2O3、AlN 和Si3N4：

1）氧化铝（Al2O3）最常用。因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。

2）氮化铝（AlN）导热率较高。氮化铝陶瓷是以氮化铝粉体为主晶相的陶瓷。相比于氧化铝陶瓷基板，绝缘电阻、绝缘耐压更高，介电常数更低。其热导率是Al2O3 的 7-10 倍，热膨胀系数（CTE）与硅片近似匹配。

3）氮化硅（Si3N4）可靠性优秀。氮化硅陶瓷的热膨胀系数（2.4ppm/K）较小，与硅芯片（4ppm/K）接近。氮化硅基板具有较高的热导率、抗弯强度大，其机械性能具有优异的耐高温性能、散热特性和超高的功率密度。此外，载流能力较高，而且传热性也非常好。

根据封装结构和应用要求，陶瓷基板可分为平面陶瓷基板和三维陶瓷基板两大类。再根据实现陶瓷基板覆铜后再刻蚀的不同工艺，当前较普遍的陶瓷散热基板分为 HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB 等。AMB 工艺因可靠性更优，逐渐成为主流应用。其中 Al2O3陶瓷基板主要采用 DBC 工艺，AlN 陶瓷基板主要采用DBC 和AMB工艺，Si3N4陶瓷基板更多采用 AMB 工艺。

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AMB（Active Metal Brazing，活性金属钎焊）工艺技术是DBC（Direct Bond Copper，直接覆铜）工艺技术的进一步发展。

AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金属焊料实现铜箔与陶瓷基片间的焊接。活性焊料通过在普通金属焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制备，由于稀土元素具有高活性，可提高焊料熔化后对陶瓷的润湿性，使陶瓷表面无需金属化就可与金属实现焊接。

AMB基板制备技术是DBC基板工艺的改进(DBC基板制备中铜箔与陶瓷在高温下直接键合，而AMB基板采用活性焊料实现铜箔与陶瓷基片间键合)，通过选用活性焊料可降低键合温度(低于800°C)，进而降低陶瓷基板内部热应力。

目前国内的IGBT模块大部分还是采用DBC工艺，随着工作电压、性能要求的不断提升，AMB工艺技术的陶瓷基板能更好地解决上述痛点，目前该技术不仅在汽车领域，还在航天、轨道交通、工业电网领域广泛应用。

AMB 氮化硅基板是第三代 SiC 半导体功率器件首选

一方面，AMB 氮化硅基板具有较高的热导率（>90W/mK），厚铜层（达 800μm）还具有较高热容量以及传热性。因此，对于对高可靠性、散热以及局部放电有要求的汽车、风力涡轮机、牵引系统和高压直流传动装置等来说，AMB 氮化硅基板是首选的基板材料。

另一方面，AMB 可将非常厚的铜金属（厚度可达 0.8mm）焊接到相对较薄的氮化硅陶瓷上。因此，载流能力较高，而且传热性也非常好。此外，氮化硅陶瓷基板的热膨胀系数与第 3 代半导体衬底SiC 晶体接近，使其能够与 SiC 晶体材料匹配更稳定。

氮化硅是国内外公认兼具高导热、高可靠性等综合性能最好的陶瓷基板材料，这使氮化硅成为第 3 代SiC 半导体功率器件高导热基板材料的首选。据统计，当前 600V 以上功率半导体所用的陶瓷基板主要采用 DBC 和 AMB 工艺，其中 AMB 工艺 Si3N4陶瓷基板主要用于电动汽车（EV）和混合动力车（HV）功率半导体，AMB 工艺 AIN 陶瓷基板主要用于高铁、高压变换器、直流送电等高压、高电流功率半导体。