AMB基板：碳化硅模塊封裝新趨勢(shì)

碳化硅作為新一代功率器件典型代表，具有高溫高頻特性，對(duì)于電池效率提升和成本降低都有明顯優(yōu)勢(shì)。目前車(chē)用進(jìn)展推進(jìn)迅速，實(shí)際上除了芯片技術(shù)外，封裝技術(shù)也非常關(guān)鍵，新的封裝材料和新的封裝技術(shù)層出不窮。對(duì)于軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)用的高壓、大電流、高功率功率模塊來(lái)說(shuō)，散熱和可靠性是其必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

對(duì)于模塊的散熱結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，基板的選擇尤為重要，目前主流的功率半導(dǎo)體模塊封裝主要還是用DBC（直接鍵合銅）陶瓷基板。

直接鍵合銅(DBC)陶瓷基板是在1000℃以上的高溫條件下，在含氧的氮?dú)庵屑訜?，使銅箔和陶瓷基板通過(guò)共晶鍵合的方式牢固結(jié)合在一起，其鍵合強(qiáng)度高且具有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。

DBC陶瓷基板制備工藝流程

DBC基板在電力電子模塊技術(shù)中，主要是作為各種芯片(IGBT芯片、Diode芯片、電阻、SiC芯片等)的承載體，DBC基板通過(guò)表面覆銅層完成芯片部分連接極或者連接面的連接，功能近似于PCB板，同時(shí)DBC基板還與散熱基板相連，最終把整個(gè)模塊的熱量散發(fā)出去；

AMB逐漸成為電子模塊封裝的新趨勢(shì)

隨著車(chē)用等市場(chǎng)的爆發(fā)，碳化硅功率模塊的應(yīng)用逐漸成熟，AMB逐漸成為電子電子模塊封裝的新趨勢(shì)。據(jù)悉，AMB的熱導(dǎo)率比DBC氧化鋁高3倍，且機(jī)械強(qiáng)度及機(jī)械性能更好，對(duì)比同樣封裝形勢(shì)下氧化鋁和碳化硅陶瓷基板功率模塊，使用過(guò)程中碳化硅熱阻降低約10%，提升電瓶輸出能力。

AMB陶瓷基板產(chǎn)品及其(b)截面圖

AMB基板制備技術(shù)是DBC基板工藝的改進(jìn)(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合，而AMB基板采用活性焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合)，通過(guò)選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C)，進(jìn)而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力。

AMB覆銅板三種材料

根據(jù)陶瓷材質(zhì)的不同，目前成熟應(yīng)用的AMB陶瓷基板可分為：氧化鋁、氮化鋁和氮化硅基板。

① AMB氧化鋁基板

相對(duì)地，氧化鋁板材來(lái)源廣泛、成本最低，是性?xún)r(jià)比最高的AMB陶瓷基板，工藝最為成熟。但由于氧化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率低、散熱能力有限，AMB氧化鋁基板多用于功率密度不高且對(duì)可靠性沒(méi)有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。

② AMB氮化鋁基板

AMB基板具有較高的散熱能力，從而更適用于一些高功率、大電流的工作環(huán)境。但是由于機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，氮化鋁AMB覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，從而限制了其應(yīng)用范圍。

氮化鋁AMB基板具有較高的散熱能力，從而更適用于一些高功率、大電流的工作環(huán)境。但是由于機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，氮化鋁AMB覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，從而限制了其應(yīng)用范圍。

③ AMB氮化硅基板

氮化硅陶瓷，具有α-Si3N4和β-Si3N4兩種晶型，其中α相為非穩(wěn)定相，在高溫下易轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的β相。高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷內(nèi)β相的含量一般大于40%。憑借氮化硅陶瓷的優(yōu)異特性，AMB氮化硅基板有著耐高溫、抗腐蝕和抗氧化和功率密度超高等優(yōu)勢(shì)：

• AMB氮化硅基板具有高熱導(dǎo)率

AMB氮化硅基板具有較高的熱導(dǎo)率（>90W/mK），厚銅層（達(dá)800μm）還具有較高熱容量以及傳熱性。因此，對(duì)于對(duì)高可靠性、散熱以及局部放電有要求的汽車(chē)、風(fēng)力渦輪機(jī)、牽引系統(tǒng)和高壓直流傳動(dòng)裝置等來(lái)說(shuō)，AMB氮化硅基板可謂其首選的基板材料。

此外，活性金屬釬焊技術(shù)，可將非常厚的銅金屬（厚度可達(dá)0.8mm）焊接到相對(duì)較薄的氮化硅陶瓷上。因此，其載流能力較高，而且傳熱性也非常好。

• AMB氮化硅基板具有低熱膨脹系數(shù)

氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)（2.4ppm/K）較小，與硅芯片（4ppm/K）接近，具有良好的熱匹配性。因此，AMB氮化硅基板，非常適用于裸芯片的可靠封裝，封裝后的組件不容易在產(chǎn)品的生命周期中失效。

AMB的主要優(yōu)勢(shì)是更適用于車(chē)規(guī)級(jí)等對(duì)可靠性要求比較高的領(lǐng)域。

AMB是在DBC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，相比于傳統(tǒng)的DBC基板，采用AMB工藝制備的陶瓷基板，不僅具有更高的熱導(dǎo)率、更好的銅層結(jié)合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢(shì)；

目前，高鐵上的大功率器件控制模塊中AMB基板逐漸成為主流應(yīng)用；另外，在風(fēng)能、光伏、電動(dòng)汽車(chē)也開(kāi)始得到越來(lái)越多的應(yīng)用，而在第三代半導(dǎo)體中，針對(duì)SiC基/GaN基三代半導(dǎo)體器件高頻、高溫、大功率的應(yīng)用需求，為實(shí)現(xiàn)大功率電力電子器件高密度三維模塊化封裝，DBC基板無(wú)法滿(mǎn)足需求，AMB更是首選的模塊封裝材料。

實(shí)際上，AMB高可靠技術(shù)目前仍主要掌握在日本廠商手中：由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對(duì)于焊接的可靠性影響較大，只有日本幾家公司掌握了高可靠活性金屬焊接技術(shù)；

例如，日本京瓷采用活性金屬焊接工藝制備出了氮化硅陶瓷覆銅基板，其耐溫度循環(huán)（-40~125 ℃）達(dá)到5000 次，可承載大于300 A 的電流，已用于電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域；

上海申和熱磁，是日本FerroTec（富樂(lè)德）集團(tuán)在上海的子公司，主要從事半導(dǎo)體熱電制冷材料、覆銅陶瓷基板、電力電子模塊、NC數(shù)控機(jī)床系列產(chǎn)品、半導(dǎo)體設(shè)備洗凈工程、單晶硅片加工生產(chǎn)等新型材料的開(kāi)發(fā)研究和生產(chǎn)銷(xiāo)售的高科技公司。主導(dǎo)產(chǎn)品陶瓷覆銅基板（DBC）和溫差電致冷材料屬于上海市重點(diǎn)發(fā)展的新材料工業(yè)，其目前DBC基板營(yíng)收已經(jīng)超過(guò)5億，并且正在積極擁抱AMB基板，明年相當(dāng)部分產(chǎn)能將會(huì)轉(zhuǎn)做AMB基板。

國(guó)內(nèi)代表廠商博敏電子從2015年聚焦DPC陶瓷板2017年往AMB陶瓷襯板研究發(fā)展，目前博敏電子高可靠陶瓷襯板及功率器件產(chǎn)線已布局完成，車(chē)規(guī)工業(yè)級(jí)關(guān)鍵客戶(hù)器件獲得認(rèn)證通過(guò)，已量產(chǎn)供應(yīng)南瑞中車(chē)等客戶(hù)國(guó)電。產(chǎn)能已擴(kuò)張到8萬(wàn)張/月，明年6月前可實(shí)現(xiàn)15萬(wàn)張/月，明年底20萬(wàn)張/月。

隨著下游市場(chǎng)的增加，AMB基板市場(chǎng)空間也快速增長(zhǎng)，據(jù)測(cè)算，2018年斯達(dá)收入6.75億，采購(gòu)4890萬(wàn)的的DBC基板，2021年預(yù)計(jì)全球500億IGBT市場(chǎng)，合計(jì)需求接近40億的DBC基板；預(yù)計(jì)2025年全球1000億IGBT/SIC市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)500億。假設(shè)AMB滲透率達(dá)到50%，且價(jià)格假設(shè)是DBC的2倍（當(dāng)前價(jià)格差數(shù)倍，考慮規(guī)模量產(chǎn)后價(jià)差縮小），則對(duì)應(yīng)2025年全球和國(guó)內(nèi)AMB基板分別為80億元、40億元。