氮化硅陶瓷基板在大功率电力电子器件中的应用

功率电子器件在储能与输配电系统、电动交通（电动汽车、电力机车）等众多工业领域应用日益广泛。随着器件向大功率、高集成化发展，其工作过程中产生的大量热量若无法有效散逸，将导致性能下降甚至热失效。因此，作为关键散热与绝缘部件的陶瓷基板，必须具备优异的机械性能和导热性能。其中，凭借出色的高导热性、卓越的抗热震性以及在高温下保持的高强度，活性金属钎焊（AMB）氮化硅（Si₃N₄）陶瓷基板成为理想选择。

Si3N4 为何要用AMB工艺

当前功率半导体器件广泛采用 DBC（直接覆铜）工艺制备陶瓷基板。该技术适用于 Al₂O₃、ZTA 等氧化物陶瓷及 AlN，其原理是：在高温下（约 1065–1083°C），利用铜表面氧化层（Cu₂O）与陶瓷反应生成 CuAlO₂ 等化合物，通过 Cu-Cu₂O 共晶液相实现陶瓷与铜的冶金结合。

然而，Si₃N₄ 陶瓷无法采用标准 DBC 工艺。 根本原因在于 Si₃N₄ 与铜之间无法形成类似 CuAlO₂ 的关键性化合物（如 Cu-Si-O 化合物），阻碍了有效的冶金结合。

因此，Si₃N₄ 陶瓷基板必须采用活性金属钎焊 (AMB) 技术。 AMB 工艺利用 Ti、Zr 等活性金属元素（通常作为钎料成分）能润湿 Si₃N₄ 陶瓷表面的特性。在真空或惰性气氛中高温钎焊时，活性金属与陶瓷发生反应形成牢固界面层，从而将铜层可靠地键合在 Si₃N₄ 陶瓷基板上。

AMB Si₃N₄ 陶瓷基板生产流程

工艺定位

AMB（活性金属钎焊）技术是DBC（直接覆铜）工艺的升级演进，二者核心流程相似，但AMB通过新增活性钎焊层实现非氧化物陶瓷（如Si₃N₄）与铜的高强度键合。

对比DBC，AMB工艺的核心调整在于：

钎焊层添加工序

铜箔清洗后，增加焊料印刷（银铜钛焊膏）或焊片贴附（银铜钛焊片） 步骤；

图形化工序升级

在蚀刻去膜阶段增设焊料选择性蚀刻，确保电路图形精度。

工艺流程如下图所示。

首先将Ag、Cu、Ti元素直接以粉末形式混合制成浆料，采用丝网印刷技术将Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上，再利用热压技术将铜箔层压在焊料上，最后通过烧结、光刻、蚀刻及镀Ni工艺制备出符合要求的AMB Si3N4 陶瓷基板。

AMB Si₃N₄ 基板的核心优势

①由于焊料/焊片的作用，可使 AMB 基板较 DCB 基板的铜、瓷片间键合得更紧密，粘合强度比DBC更高、可靠度更好；

3种材料的对比

②Si3N4陶瓷具有更高的热导率（商用产品的典型值在80 到 90 W/mK ），和氧化铝基板或ZTA基板相比、拥有三倍以上的热导率，热膨胀系数（2.4ppm/K）较小，与半导体芯片（Si、SiC）接近，具有良好的热匹配性。

③氮化硅具有优异的机械性能（兼顾高弯曲强度和高断裂韧度，和氧化铝基板或氮化铝基板相比，约有两倍以上的抗弯强度），因此具有极高的耐冷热冲击性（极高可靠性），可将非常厚的铜金属（厚度可达800μm）焊接到相对较薄的氮化硅陶瓷上。因此，载流能力较高，而且传热性也非常好。

图 AMB陶瓷覆铜基板热循环测试，热循环次数Si3N4≥5000次，ALN≥1500次，AL2O3≥500次，ZTA(氧化锆增强氧化铝）≥1000次

AMB Si₃N₄基板的核心技术优势

AMB Si3N4 基板的应用

AMB Si3N4具有高热导率、高机械能、高载流能力以及低热膨胀系数，适用于 SiC MOSFET 功率模块 、大功率IGBT模块等高温、大功率半导体电子器件的封装材料，应用于电动汽车（EV）和混合动力车（HV）、轨道交通、光伏等领域。

从性价比方面考虑，目前 450/600V 的车规级 IGBT 模块多用 DBC 陶瓷基板，800V 及更高功率的是采用 AMB 陶瓷基板。SiC 功率器件由于集成度和功率密度明显提高，相应工作产生的热量极具增加，采用Si3N4 AMB 基板以实现更高的热性能和稳健性成为新趋势。

电压平台的技术分水岭

SiC器件驱动的技术升级

热管理需求激增

AMB Si₃N₄的应对优势

图 SiC MOSFET 功率模块结构示意图，SiC芯片通过烧结银连接至Si3N4 AMB基板