功率電子器件在電力存儲，電力輸送，電動汽車，電力機車等眾多工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著功率電子器件本身不斷的大功率化和高集成化，芯片在工作過程中將會產(chǎn)生大量的熱。如果這些熱量不能及時有效地發(fā)散出去，功率電子器件的工作性能將會受到影響，嚴(yán)重的話，功率電子器件本身會被破損。這就要求擔(dān)負絕緣和散熱功能的陶瓷基板必須具備卓越的機械性能和導(dǎo)熱性能。由于氮化硅（Si₃N₄）陶瓷的高導(dǎo)熱性、抗熱震性及在高溫中良好的機械性能，Si₃N₄-AMB陶瓷基板備受矚目。

Si₃N₄為何要用AMB工藝

目前功率半導(dǎo)體器件所用的陶瓷基板多為DBC（Direct Bond Copper，直接覆銅）工藝，Al₂O₃與ZTA等氧化物陶瓷以及AlN可使用DBC技術(shù)與銅接合：將無氧銅經(jīng)熱氧化或化學(xué)氧化制程于表面產(chǎn)生一Cu₂O層，于1065~1083℃之間利用Cu-Cu₂O共晶液相潤濕兩材料接觸面，并生成CuAlO₂化合物達成陶瓷與銅鍵合。

然而Si₃N₄與銅之間不會形成Cu-Si-O化合物，因此必須采用活性金屬焊接(Active Metal Brazing，AMB)技術(shù)與銅接合，利用活性金屬元素（Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等）可以潤濕陶瓷表面的特性，將銅層通過活性金屬釬料釬焊在Si₃N₄陶瓷板上。

Si₃N₄-AMB的生產(chǎn)流程

AMB工藝根據(jù)釬焊料不同，目前主要分為放置銀銅鈦焊片和印刷銀銅鈦焊膏兩種。以后者為例，首先將Ag、Cu、Ti元素直接以粉末形式混合制成漿料，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上，再利用熱壓技術(shù)將銅箔層壓在焊料上，最后通過燒結(jié)、光刻、腐蝕及鍍Ni工藝制備出符合要求的氮化硅AMB覆銅板。

在AMB工藝中，利用Ti等過渡金屬與Ag、Cu等元素形成合金焊料，具有很強的化學(xué)活性，能夠與氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等發(fā)生反應(yīng)，促使熔融焊料潤濕陶瓷表面，完成氮化硅與無氧銅的連接。活性元素Ti與氮化硅陶瓷反應(yīng)的主要產(chǎn)物是TiN和TiAl₃。

但這兩種方法都存在一定局限。首先，焊片工藝所用的銀銅鈦焊片在制備過程中容易出現(xiàn)活性元素Ti的氧化、偏析問題，導(dǎo)致成材率極低，焊接接頭性能較差。對于焊膏工藝，在高真空中加熱時有大量有機物揮發(fā)，導(dǎo)致釬焊界面不致密，出現(xiàn)較多空洞，使得基板在服役過程中易出現(xiàn)高壓擊穿、誘發(fā)裂紋的問題。

而在通過AMB工藝制備氮化硅覆銅基板的過程中，對Si₃N₄陶瓷和銅片進行除油和除氧化處理、提供較高的真空釬焊環(huán)境是目前公知的降低界面空洞率的方法。焊接壓力是空洞率最主要的影響因素，適當(dāng)加壓不僅可以使母材與焊料形成緊密的接觸，有利于接觸反應(yīng)熔化的進行，而且可以增強熔化焊料的流動性，擠出釬焊界面的氣體，從而降低空洞率。

此外，真空+氮氣的焊接氣氛比真空氣氛更有利于降低焊接空洞率，這對AMB工藝也有一定啟發(fā)作用，不過需要注意的是氮氣在高溫下可能會和Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其他惰性氣體(氦氣、氬氣等)可能更適用于AMB工藝。

Si₃N₄-AMB基板的特點

● 由于焊料/焊片的作用，可使AMB基板較DCB基板的銅、瓷片間鍵合得更緊密，粘合強度比DBC更高、可靠度更好；

● Si₃N₄陶瓷具有更高的熱導(dǎo)率（商用產(chǎn)品的典型值在80到90W/mK），和氧化鋁基板或ZTA基板相比、擁有三倍以上的熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)（2.4ppm/K）較小，與半導(dǎo)體芯片（Si、SiC）接近，具有良好的熱匹配性。

● 氮化硅具有優(yōu)異的機械性能（兼顧高彎曲強度和高斷裂韌度，和氧化鋁基板或氮化鋁基板相比，約有兩倍以上的抗彎強度），因此具有極高的耐冷熱沖擊性（極高可靠性），可將非常厚的銅金屬（厚度可達800μm）焊接到相對較薄的氮化硅陶瓷上。因此，載流能力較高，而且傳熱性也非常好。

Si₃N₄-AMB基板的應(yīng)用

Si₃N₄-AMB具有高熱導(dǎo)率、高機械能、高載流能力以及低熱膨脹系數(shù)，適用于SiCMOSFET功率模塊、大功率IGBT模塊等高溫、大功率半導(dǎo)體電子器件的封裝材料，應(yīng)用于電動汽車（EV）和混合動力車（HV）、軌道交通、光伏等領(lǐng)域。

從性價比方面考慮，目前450/600V的車規(guī)級IGBT模塊多用DBC陶瓷基板，800V及更高功率的是采用AMB陶瓷基板。SiC功率器件由于集成度和功率密度明顯提高，相應(yīng)工作產(chǎn)生的熱量極具增加，采用Si₃N₄-AMB基板以實現(xiàn)更高的熱性能和穩(wěn)健性成為新趨勢。