中國粉體網(wǎng)訊  碳化硅（SiC）作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，相對于Si基器件具備降低電能轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗、更容易小型化、更耐高溫高壓的優(yōu)勢。如今，SiC“上車”已成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)難以繞開的話題，而這要?dú)w功于搭載意法半導(dǎo)體碳化硅器件的特斯拉Model 3的問世，使諸多半導(dǎo)體企業(yè)在碳化硅上“卷”了起來。

SiC在新能源汽車上的應(yīng)用優(yōu)勢

提升加速度

新能源汽車的加速性能與動(dòng)力系統(tǒng)輸出的最大功率和最大扭矩密切相關(guān)，SiC技術(shù)允許驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)承受更大輸入功率，且不怕電流過大導(dǎo)致的熱效應(yīng)和功率損耗，這就意味著車輛起步時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以輸出更大扭矩，強(qiáng)化加速能力。

增加續(xù)航里程

SiC器件通過導(dǎo)通/開關(guān)兩個(gè)維度降低損耗，從而實(shí)現(xiàn)增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的目的。

汽車輕量化

SiC材料載流子遷移率高，能提供較高的電流密度，相同功率等級下封裝尺寸更小。SiC能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開關(guān)，減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等的使用，從而減少系統(tǒng)體系和重量；SiC禁帶寬度寬且具有良好的熱導(dǎo)率，可以使器件工作于較高的環(huán)境溫度中，從而減少散熱器體積；SiC可以降低開關(guān)與導(dǎo)通損耗，使系統(tǒng)效率提升，同樣續(xù)航范圍內(nèi)，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。

電機(jī)控制器中使用SiC產(chǎn)品帶來的收益（來源：羅姆公司）

此外，隨著汽車電動(dòng)化快速進(jìn)入到2.0快充階段，高壓快充系統(tǒng)成為車企不約而同的選擇。目前，越來越多車企陸續(xù)發(fā)布了搭載800V高電壓平臺的車型。電壓平臺的升高，將意味著核心三電系統(tǒng)以及空調(diào)壓縮機(jī)、DCDC、OBC等部件以及充電樁都要能在800V甚至1000V的電壓下正常工作。而SiC具有高耐壓特性，在1200V的耐壓下阻抗遠(yuǎn)低于Si，對應(yīng)的導(dǎo)通損耗會相應(yīng)降低，同時(shí)由于SiC可以在1200V耐壓下選擇MOSFET封裝，可以大幅降低開關(guān)損耗，因此受到多家車企的青睞。

Si₃N₄-AMB基板是SiC器件封裝基板的首選

以往被廣泛使用的直接覆銅（DBC）陶瓷基板是通過共晶鍵合法制備而成，銅和陶瓷之間沒有粘結(jié)材料，在高溫服役過程中，往往會因?yàn)殂~和陶瓷（Al₂O₃或AlN）之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致銅層從陶瓷表面剝離，因此傳統(tǒng)的DBC陶瓷基板已經(jīng)難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求。

Si₃N₄-AMB覆銅基板則是利用活性金屬元素（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。通過活性金屬釬焊（AMB）工藝形成的銅/陶瓷界面粘結(jié)強(qiáng)度更高，且Si₃N₄陶瓷相比Al₂O₃和AlN同時(shí)兼顧了優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的導(dǎo)熱性，因此Si₃N₄-AMB覆銅基板在高溫下的服役可靠性更強(qiáng)，是SiC器件封裝基板的首選。

三種陶瓷基板材料性能對比（來源：張偉儒，《第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展》）

Si₃N₄-AMB基板制備流程

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，工藝流程如下圖所示。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。

氮化硅AMB覆銅板制備工藝流程圖（來源：李伸虎等，《銀銅鈦焊膏制備Si₃N₄陶瓷覆銅基板工藝》）

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(qiáng)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(shí)有大量有機(jī)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。此外，釋放的有機(jī)揮發(fā)物會污染真空腔體和泵組管道，影響分子泵的使用壽命。

據(jù)此，李伸虎等創(chuàng)新地提出了銀銅鈦焊膏的預(yù)脫脂釬焊工藝，可以在保護(hù)高真空設(shè)備的同時(shí)，顯著降低Si₃N₄陶瓷-銅的界面空洞率。

此外，AMB工藝還還存在一些短板，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度要比DBC、DPC兩種工藝大很多，對技術(shù)要求高，且在良率、材料等方面還有待進(jìn)一步完善，這使得該技術(shù)目前的實(shí)現(xiàn)成本還比較高。

Si₃N₄-AMB基板發(fā)展前景

采用活性金屬釬焊技術(shù)制備的Si₃N₄-AMB覆銅基板導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，是當(dāng)下最具競爭力的SiC功率器件用封裝基板。

目前，具備高品質(zhì)Si₃N₄-AMB覆銅基板的生產(chǎn)能力的企業(yè)主要集中在歐、日、韓等國家，如德國的Rogers Corporation，日本的NGK、Denka、KYOCERA 、東芝，韓國的KCC集團(tuán)、AMOGREENTECH等。

而我國在這一領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚，不過也涌現(xiàn)出了一批先行企業(yè)，如博敏電子、華清電子、富樂華半導(dǎo)體等。不過本土企業(yè)在技術(shù)上，較國際領(lǐng)先企業(yè)還存在一定差距。Si₃N₄-AMB封裝基板的發(fā)展不僅需要解決活性釬料的制備、真空釬焊等工藝問題，高質(zhì)量原材料的供應(yīng)始終依賴進(jìn)口也是國內(nèi)該行業(yè)發(fā)展遲緩的原因之一。高導(dǎo)熱Si₃N₄陶瓷和高品質(zhì)銅箔的國產(chǎn)化供應(yīng)，將是Si₃N₄-AMB基板發(fā)展的動(dòng)力源泉。建立從原材料供應(yīng)開始到最終產(chǎn)品輸出的技術(shù)工藝路線和完整供應(yīng)鏈，仍是國產(chǎn)Si₃N₄-AMB基板產(chǎn)業(yè)一直需要努力的目標(biāo)。

參考來源：

1、李伸虎等，《氮化硅覆銅基板活性釬焊研究進(jìn)展》

2、張偉儒，《第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展》

3、陳東坡，《碳化硅在新能源汽車中的應(yīng)用現(xiàn)狀與導(dǎo)入路徑》

4、李伸虎等，《銀銅鈦焊膏制備Si₃N₄陶瓷覆銅基板工藝》

5、楊春燕等，《高導(dǎo)熱氮化硅覆銅板在功率器件中的應(yīng)用可靠性》

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）

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