隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型材料也不斷涌現(xiàn)。其中，直接覆鋁陶瓷基板（DBA基板）因其優(yōu)良的性能表現(xiàn)備受矚目，成為電子行業(yè)中備受關(guān)注的材料之一。今天，我們就來一起探討DBA基板的特點(diǎn)和應(yīng)用前景。
DBA直接覆鋁陶瓷基板（Direct Bonding Aluminum Ceramic Substrate，簡稱DBA）是一種新型的電子材料，將會(huì)成為未來電子材料領(lǐng)域的新寵。代表性的制造廠商，日本三菱、日本電化，目前國內(nèi)頭家量產(chǎn)企業(yè)為江蘇富樂華。特別的，隨著國內(nèi)新能源汽車超級快充站、智能電網(wǎng)、高壓光伏風(fēng)電領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對功率器件的高壓、高功率密度、強(qiáng)散熱等需求更加迫切，作為直接覆銅DCB陶瓷基板已不能滿足器件的散熱需求。
江蘇富樂華在半導(dǎo)體大功率器件用陶瓷基板領(lǐng)域擁有全面的產(chǎn)品種類，客戶可以根據(jù)器件不同應(yīng)用場合需求，滿足最優(yōu)產(chǎn)品類型及規(guī)格尺寸定制服務(wù)。
富樂華陶瓷基板種類
富樂華不同陶瓷基板性能趨勢
特性驗(yàn)證對比
本文還將以AMB氮化硅覆銅陶瓷基板與DBA 氮化鋁覆鋁基板進(jìn)行性能對比研究：
AMB 氮化硅覆銅陶瓷載板主要采用活性金屬焊料作為連接中間層，在真空釬焊條件下實(shí)現(xiàn)Cu箔與陶瓷的鍵合，活性金屬焊料層能緩解銅與瓷片之間的熱應(yīng)力，具有理想的可靠性與散熱性能；DBA 直接覆鋁載板，是在高溫(高于660℃)條件下將鋁液直接與AlN陶瓷進(jìn)行浸潤，經(jīng)冷卻后直接實(shí)現(xiàn)Al與AlN的鍵合，由于Al具有更低的強(qiáng)度，在冷熱循環(huán)過程中，可以有效減緩鋁與陶瓷間的熱應(yīng)力，具有優(yōu)異的可靠性。目前氮化硅AMB陶瓷載板與DBA直接覆鋁載板均是大功率器件的封裝重要材料，且各有優(yōu)勢，本文將選取相關(guān)重要性能參數(shù)進(jìn)行對比比較。
本研究選擇SAM聲波掃描檢查界面空洞率、鍵合強(qiáng)度、高壓局部放電性能、熱循環(huán)可靠性、表面可焊性等性能進(jìn)行對比驗(yàn)證測試。
圖1 (a)氮化硅AMB母板載板,(b)氮化鋁DBA母板載板
Figure 1. (a) Silicon nitride AMB substrate,(b) Aluminum nitride DBA substrate
載板超聲波掃描空洞率驗(yàn)證
選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，對母板樣品，尺寸為138×190mm，經(jīng)表面清洗及圖形轉(zhuǎn)移、圖形蝕刻后，進(jìn)行超聲波掃描，檢查樣品界面處的焊接空洞率，如下圖2為AMB載板與DBA載板大尺寸母板的鍵合界面掃描圖，所用設(shè)備為Insight SAM聲波掃描顯微鏡，圖中可得AMB覆銅陶瓷載板與DBA陶瓷載板其界面空洞率均＜0.5%，AMB與DBA載板樣品均具有超卓的焊合效果。
圖2 (a)氮化硅AMB母板載板SAM聲波掃描圖,(b)氮化鋁DBA母板載板SAM聲波掃描圖
Figure 2. (a) SAM scan image of silicon nitride AMB master card substrate,(b) SAM scan image of aluminum nitride DBA master card substrate
鍵合強(qiáng)度測試
氮化硅AMB載板母板與氮化鋁DBA樣品母板，樣品制備成測試條圖形，速度設(shè)定50mm/min，圖形樣品金屬層寬度5mm，90°垂直向上剝離測試。采用剝離測試機(jī)為HY-BL型號，剝離樣品剝離測試示意圖如下圖3。
圖3 載板剝離強(qiáng)度測試示意圖
Figure 3. Schematic diagram of peel strength test of substrate
從表2中可得，樣品測試過程中，AMB樣品均完成銅層與氮化硅陶瓷間的剝離，其剝離強(qiáng)度值達(dá)到13.97~14.63N/mm；DBA樣品在測試過程中，隨著夾頭牽引鋁層，進(jìn)行緩慢提升，其剝離力急劇增長，達(dá)到設(shè)備極限98.0N時(shí)，設(shè)備迅速急停，發(fā)現(xiàn)鋁層并未均勻拉起，鋁層剝離測試時(shí)出現(xiàn)急劇頸縮，并斷裂?？梢耘袛?，DBA金屬鋁層與氮化鋁陶瓷間的鍵合強(qiáng)度值大于鋁層的抗拉強(qiáng)度，估算其剝離強(qiáng)度＞19.6N/mm。
載板局部放電性能驗(yàn)證
選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，該樣品圖形具有等效平板電容特征。在氟油中，局部放電測量儀的高壓電極連接載板一面，載板另一面連接接地金屬平板，如圖4所示。分別在4.5kV、7.0Kv、9Kv的高壓下進(jìn)行持續(xù)時(shí)間為 1min的絕緣局部放電測試。檢測AMB覆銅載板與DBA直接覆鋁載板的在高壓條件下max局部放電量，進(jìn)行性能對比，根據(jù)國際電工協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，以局部放電量＜10pC 為判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)。
圖4. 局部放電測試示意圖
Figure 4. Schematic diagram of partial discharge test
從上表3可得，氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，在4.5Kv持續(xù)1min條件下，均滿足局部放電量＜10pC的要求；在7.0Kv持續(xù)1min 測試中，DBA載板仍然保持良好的局部放電特性，局部放電量＜10pC，AMB載板的局部放電量激增數(shù)百倍，測試的樣品中局部放電量均大于1000pC；針對DBA樣品繼續(xù)升壓進(jìn)行9.0Kv 持續(xù)1min條件下測試，DBA載板局部放電量＜10pC，高壓條件下，氮化鋁DBA載板局部放電性能優(yōu)于氮化硅AMB載板。
熱循環(huán)可靠性驗(yàn)證
選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，置于TSE-12-A型號冷熱循環(huán)試驗(yàn)箱中，進(jìn)行熱循環(huán)可靠性測試，測試條件為，-55℃/30min~150℃/30min 中間轉(zhuǎn)換時(shí)間小于60s，熱循環(huán)測試3000次后，采用Insight SAM聲波掃描顯微鏡進(jìn)行界面檢查。可知，氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板，均具有良好的熱循可靠性。3000次熱循環(huán)測試并未影響鍵合區(qū)的強(qiáng)度，陶瓷保持完整。
圖5 (a) 氮化硅AMB載板0次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖,(b) 氮化鋁DBA載板0次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖,(c) 氮化硅AMB載板3000次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖, (d) 氮化鋁DBA載板3000次熱循環(huán)SAM超聲波掃描圖
Figure 5. (a) SAM acoustic scanning image of 0 thermal cycles of silicon nitride AMB substrate,(b) SAM acoustic scanning image of 0 thermal cycles of aluminum nitride DBA substrate,(c) SAM acoustic scanning image of 3000 thermal cycles of silicon nitride AMB substrate, and (d) SAM acoustic scanning image of 3000 thermal cycles of aluminum nitride DBA substrate
表面可焊性驗(yàn)證
選取的氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板樣品，分別進(jìn)行化鍍鎳金，Ni層厚度為3.0~7.0μm，金層厚度為0.025~0.045μm，進(jìn)行表面可焊性測試。
具體步驟操作為：在載板表面指定區(qū)域使用焊料進(jìn)行涂刷（Sn-Ag3.5Cu0.5），平移置于288±5℃條件下的加熱平臺(tái)上，保持10-30s，充分熔融后，樣品平移至冷卻區(qū)域，目視檢查所覆焊接區(qū)應(yīng)光滑、無虛焊、漏焊等。測試結(jié)果如下圖，可知氮化硅AMB載板與氮化鋁DBA載板樣品均具有良好的可焊性能，測試表面焊錫區(qū)面積達(dá)≥95%以上。
圖6 (a) 氮化硅AMB載板可焊性測試,(b) 氮化鋁DBA載板可焊性測試
Figure 6. (a) solderability test of silicon nitride AMB substrate;(b) solderability test of aluminum nitride DBA substrate
總結(jié)
本文重點(diǎn)針對AMB載板與DBA載板的相關(guān)性能進(jìn)行測試，其中在焊接空洞率、鍵合強(qiáng)度、熱循環(huán)可靠性、表面可焊性等測試過程中，均表現(xiàn)優(yōu)異且符合商用載板的基本使用要求。AlN載板擁有較高的熱導(dǎo)率120-180W/mK,與氮化硅AMB載板相比，考慮相當(dāng)熱導(dǎo)量性能條件下，采用的0.635mm的氮化鋁陶瓷層厚度的氮化鋁DBA載板具有更高的絕緣性能，主要體現(xiàn)在載板的局部放電性能上。在器件應(yīng)用上，氮化鋁DBA載板，高電壓下局部放電量低，且其與Si芯片熱膨脹系數(shù)匹配性好，適合大功率Si基大功率器件模塊；氮化硅AMB載板，氮化硅陶瓷強(qiáng)度高（抗彎強(qiáng)度≥800Mpa），韌性好，其與SiC芯片熱膨脹系數(shù)匹配性好，適合大功率SiC器件模塊。
為滿足器件在嚴(yán)苛環(huán)境下高壓、大功率、高可靠性以及強(qiáng)散熱需求下，DBA基板可選擇厚度為0.635mm氮化鋁陶瓷，DBA基板綜合熱導(dǎo)率可達(dá)到185-210W/m·k，是強(qiáng)散熱需求器件的理想襯板。
DBA基板未來應(yīng)用領(lǐng)域分析
DBA（Direct Bonded Aluminum）技術(shù)是一種將鋁基板與其他材料直接結(jié)合在一起的技術(shù)，通過該技術(shù)可以提高整個(gè)系統(tǒng)的散熱效率、可靠性和節(jié)省成本。下面將分析DBA直接覆鋁基板在高壓輸變電、智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、超級充電站、軌交等半導(dǎo)體器件、高壓光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用情況。
高壓輸變電、智能電網(wǎng)
在高壓輸變電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，要求半導(dǎo)體器件具有高壓、高溫、高功率和高穩(wěn)定性能。采用DBA直接覆鋁基板可以提高半導(dǎo)體器件的散熱效率，延長使用壽命，并且降低使用成本。
超級充電站
超級充電站需要快速充電和加強(qiáng)散熱，以確保車輛充電的安全性和穩(wěn)定性。采用DBA直接覆鋁基板的快速熱傳導(dǎo)能力結(jié)合水冷散熱，可迅速將熱量排出，降低芯片結(jié)溫，提高充電站的散熱效率，增加充電速度，同時(shí)減少充電過程中的安全隱患。此外理想耐壓可靠性，可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率需求。
軌交
在軌交領(lǐng)域，要求半導(dǎo)體器件具有高壓（2500V~6500V）、高溫、高功率和高可靠性能，采用DBA直接覆鋁基板不僅可以滿足高壓的嚴(yán)苛需求而且具有高可靠性，減少維護(hù)和更換成本。
高壓光伏風(fēng)電領(lǐng)域
在高壓光伏風(fēng)電領(lǐng)域，要求半導(dǎo)體器件具有高壓、高溫、高功率和高穩(wěn)定性能。采用高壓器件可以進(jìn)一步降低成本，減少損耗，采用DBA直接覆鋁基板可以提高半導(dǎo)體器件的散熱效率，器件功率密度可以進(jìn)一步增加，大大降低使用成本。
綜上所述，DBA直接覆鋁基板在高壓輸變電、智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、超級充電站、軌交等半導(dǎo)體器件、高壓光伏發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的散熱效率、可靠性和節(jié)省成本。
