SiC功率器件核心材料——AMB陶瓷基板及钎焊工艺

在电动汽车市场，消费者的核心关切聚焦于续航里程与充电焦虑两大痛点，这一趋势正深刻引领着行业发展方向。为积极响应市场需求，国内顶尖车企已抢先布局，纷纷推出搭载800V高压快充技术的车型，旨在从根本上缓解消费者的续航焦虑，加速充电过程。随着政府政策的鼎力支持及行业技术标准的日益完善，高压快充技术的应用边界正迅速拓展，预示着电动汽车充电体验的全面升级。

在此背景下，SiC（碳化硅）材料以其卓越的高频、高压、高温耐受性，以及出色的散热性能、紧凑体积、低能耗特性和高功率输出能力，成为了新能源汽车领域内的明星材料。SiC的应用不仅为新能源汽车赋予了“高压+长续航”的双重优势，更被视为解决当前行业瓶颈、推动新能源汽车产业迈向新高度的关键钥匙。因此，“SiC上车”已成为新能源汽车产业热议的焦点话题，预示着一场由材料创新引领的技术革命正在加速到来。

AMB陶瓷基板成SiC功率器件首选

陶瓷基板按照工艺主要分为DBC、AMB、DPC、HTCC、LTCC等基板，按照基板材料划分主要为氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)和氮化硅(Si3N4)，其中氧化铝陶瓷基板最常用，主要采用DBC工艺；氮化铝陶瓷基板导热率较高，主要采用DBC和AMB工艺；氮化硅可靠性优秀，主要采用AMB工艺。

通过AMB工艺形成的铜/陶瓷界面粘结强度更高，且相比Al2O3和AlN，Si3N4陶瓷同时兼顾了优异的机械性能和良好的导热性，因此Si3N4-AMB覆铜基板在高温下的服役可靠性更强，是SiC器件封装基板的首选。

AMB基板作为SiC功率模块的核心配套材料，将伴随SiC功率模块上车在新能源汽车领域取得突破，除此之外高性能AMB基板还能应用在光伏新能源、轨道交通等终端行业中的IGBT模块、SiC功率器件、碳化硅超高压电控及电驱平台等。

AMB陶瓷基板的核心工序—钎焊

钎焊是AMB陶瓷基板制程中最重要的工序，活性钎料的制备和活性金属钎焊是目前的重点和难点。

Ti、Zr、Hf、V、Nb等是常见的几种活性金属元素，可以浸润陶瓷表面，被广泛用于陶瓷与金属的活性封接。其中以Ti为活性元素的Ag-Cu-Ti系合金是研究最多、实际应用最为广泛的一种活性钎料，其在800~950 ℃的温度下可以润湿大多数陶瓷表面，钎焊接头强度高、性能稳定，从而可以较好地实现陶瓷和金属、陶瓷和陶瓷的封接。

Ag-Cu-Ti系活性钎料的使用形式包括以下四种，随Ti元素的形态、钎料的组合方式不同而有所不同：

①预涂Ti粉(或TiH,粉)膏剂，然后加预成形焊片(通常为Ag72Cu28合金焊片)；

②预先在陶瓷表面以PVD(物理气相沉积)或CVD(化学气相沉积)镀一层Ti薄膜，然后再加Ag-Cu钎料。

③使用Ag-Cu-Ti焊片；

④使用Ag-Cu-Ti焊膏。

AMB覆铜陶瓷基板一般采用银铜钛焊片或印刷焊膏，但这两种方法都存在一定局限：

①焊片工艺所用的银铜钛焊片在制备过程中容易出现活性元素Ti的氧化、偏析问题，导致成材率极低，焊接接头性能较差。

②对于焊膏工艺，在高真空中加热时有大量有机物挥发，导致钎焊界面不致密，出现较多空洞，使得基板在服役过程中易出现高压击穿、诱发裂纹的问题。

③释放的有机挥发物会造成污染，影响使用寿命。

使用银铜钛活性钎料制备AMB陶瓷覆铜基板时，导致界面空洞的原因主要有几点：

①原料表面质量：焊接前陶瓷和无氧铜表面的划痕、凹坑、氧化、有机污染的问题都会对焊料的润湿铺展造成负面影响，为钎焊界面带来了潜在的空洞风险。

②焊料印刷质量：大面积焊膏印刷过程中，较易出现焊膏漏印、印刷不均匀的问题，焊料熔化后一旦没有铺展覆盖这些漏印区域，就会直接导致空洞的形成。

③活性元素失活：AgCuTi焊膏中的活性元素Ti对氧十分敏感，高温钎焊过程中，往往要求真空度优于10^-3Pa，若真空度无法满足焊接要求导致Ti氧化失活，焊料无法润湿陶瓷表面，会造成大面积虚焊、漏焊等现象。

④焊膏挥发气体：钎焊过程中，焊膏中挥发出的气体会被助焊剂包裹形成气泡，此外助焊剂中的有机酸和金属氧化物反应也会产生气泡，随着反应的进行气泡逐渐变大，排出的气泡会在焊膏表面留下密密麻麻的气孔，而未排出的气泡同样会随着焊料熔化凝固的过程滞留在钎焊界面处，形成空洞。

⑤钎焊工艺参数：Ag-Cu-Ti活性钎料往往在800 ℃以上才能润湿Si3N4表面，若钎焊温度过低或保温时间过短，将会使得Ti与陶瓷表面的反应不够充分，导致钎料无法完全润湿陶瓷表面。

AMB氮化硅覆铜基板的制备过程中，在空洞率控制方面，高真空或高真空+惰性气体的钎焊环境、预脱脂的钎焊工艺、适当的钎焊压力、原材料的清洗（对陶瓷和铜片进行除油和除氧化处理）都可以降低钎焊界面空洞率。