?前言

隨著寬禁帶半導體的發展，功率半導體器件往更高的功率密度，更高的芯片溫度以及更高的可靠性方向發展，相應地也對于功率半導體模塊封裝的提出了更高的要求。包括我們前面聊到的無焊料，無鍵合線等互連技術趨勢外，絕緣基板的選擇也成為經常討論的話題。

為了提高模塊的散熱性能，必須在芯片和底板之間放置一塊具有高導熱率的絕緣基板，在絕緣基板上構建電路互連的主要方法是DBC（直接鍵合銅），其中一個陶瓷絕緣層--具有非常好的電絕緣和電介質強度，直接粘合在兩層銅之間。這些基板通常根據應用情況和其熱性能、機械性能和電絕緣性能來進行選擇。

早之前我們也有簡單聊過絕緣基板

功率模塊Ⅰ—— 絕緣襯底 和 功率模塊Ⅱ —— 絕緣襯底金屬化

常見的絕緣基板材料有氧化鋁（Al2O3以及摻雜9%氧化鋯的HPS）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）等。其中Al2O3算是最經濟的選擇，雖然它具有相對較高的機械強度，但是與其他材料相比，導熱系數方面顯得便弱了很多，相對來說不太契合后續功率器件的發展要求；AlN具有更高的導熱率，CTE與硅幾乎相同，有效地降低了分層和焊料疲勞等問題，但機械強度在較大的熱循環中還不夠有優勢。Si3N4的CTE也非常接近半導體芯片，同時提供了很好的機械強度和熱疲勞能力，但成本和供應相對來說算是一個“弱點”，但當下我們在高性能模塊中還是很常見的，氮化硅基板的使用在未來應該會變得越為常見。

最近朋友分享了一篇羅杰斯關于氮化硅DBC和AMB對比的文章，

‘Comparison of Silicon Nitride DBC and AMB Substrates for different  applications in power electronics’

基于這個，我們再來聊一聊絕緣基板。

氮化硅DBC和AMB

DBC（直接鍵合銅）技術和AMB（活性金屬釬焊）技術，目前最常見的兩種基板敷銅工藝，下面是兩種制造過程的簡單示意圖。

DBC的基本原理是在銅和陶瓷基板之間引入氧元素，在約1000℃時形成Cu/O共晶液相，進而與陶瓷基板進行粘附。但AlN和Si3N4等則需要首先在其表面進行一層氧化，才能夠滿足傳統的DBC工藝。

AMB的基本原理是在900℃的溫度下，含有活性元素Ti、Zr的焊料在陶瓷和金屬的界面潤濕并反應，從而實現粘合。

Si3N4陶瓷基板特性

熱阻

銅金屬化基板的熱阻主要取決于陶瓷基本材料，下表是AlN和Si3N4基板搭配0.3mm的銅層后的熱阻對比，由于熱阻Rth和厚度成正比，所以氮化硅厚度是氮化鋁一半時，熱阻幾乎一致。

并且我們可以看到，其他條件相同的前提下，Si3N4采用DBC和AMB的情況下熱阻也幾乎一樣。

熱沖擊

為了了解幾種不同陶瓷基板可靠性，通過熱沖擊測試對他們進行表征對比，下面是AlN、Al2O3、HPS、Si3N4(DBC&AMB)的對比。

我們可以看到，相同條件下，Si3N4的DBC基板比常見的Al2O3的DBC基板抗熱沖擊的能力提高了20倍，而其AMB基板（0.5mm銅層）更是超過了50倍。

電絕緣性能

對幾種陶瓷基板進行了局部放電和擊穿強度測試，測試條件：球電極50Hz交流電，變化速率1kV/s，在5kV下測量局部放電，增加電壓直到出現擊穿。測試結果如下，

所有陶瓷基板的電絕緣性能都還不錯，所以一般我們都不太會談及這方面的影響。

Layout 建議

AMB陶瓷基板的絕緣間隙必須略大于DBC的，去除釬焊材料的必要刻蝕工藝限制的這方面的最小尺寸。高功率密度的需求意味著更高的電流，而AMB允許更厚的銅層（0.3mm~0.8mm），即能夠擁有更高的電流承載能力。

應用

下面是文章中給到的陶瓷基板隔離電壓和導熱系數相關的應用領域分布圖，

以及不同陶瓷基板的特性優劣和對應的相關應用對比，

小結

今天的內容主要在于了解Si3N4的DBC和AMB陶瓷基板的相關特性，以及和幾種主要陶瓷基板之間的比較。就像任何事情基本都會談及的一個關鍵因素“成本”，我們更多的時候看到的還是傳統的Al2O3 DBC基板，或者是為了增加機械強度而摻雜9%氧化鋯的HPS基板。只有在一些追求性能更優，成本能夠權衡的領域可以看到Si3N4 DBC或者AMB基板。

不管怎么樣，未來能夠遇見的肯定會越來越多，我們能夠學習的也會越來越多，雖然現在要學習的也很多。但我們可以再回頭喝一口開頭的雞湯，任何事情不都是需要一個過程，就看你在其中抱著怎樣的態度。

最后，今天的內容希望你們能夠喜歡！