高性能氮化硅陶瓷覆铜基板的制备、性能与可靠性研究

氮化硅陶瓷覆铜基板因其高可靠性，是高铁、电动汽车等领域功率模块的理想材料。为突破国外技术垄断，本研究通过气压烧结结合活性金属钎焊工艺，成功实现了该基板的自主制备。

优异的基础性能： 所得氮化硅陶瓷基板性能卓越，包括弯曲强度800 MPa、断裂韧性8.0 MPa·m¹/²、热导率90 W/(m·K)等。所获覆铜基板的剥离强度高达130 N/cm，表明其结合界面牢固。

卓越的可靠性表现： 在-45～150℃的热循环冲击测试中，其可靠性显著优于传统材料：

寿命对比： 循环寿命分别是氮化铝和氧化铝覆铜基板的10倍和100倍。

极限测试： 即使在更严苛的铜层厚度（0.8 mm/0.8 mm）下经受500次循环，其性能仍相当于薄铜层氮化铝基板的水平，且未产生微裂纹，充分证明了其超强的抗热冲击能力。

随着环境问题日益严峻，作为清洁能源的电力已成为全球能源转型的核心，推动着能源利用的电气化进程。在此背景下，绝缘栅双极晶体管（IGBT）等大功率电力电子器件，作为能源控制与转换的关键载体，被广泛应用于高速铁路、智能电网及电动汽车等领域 器件功率密度的持续提升，对其核心部件——陶瓷覆铜基板的散热能力与可靠性提出了更为严苛的要求。

目前，常用陶瓷基板材料主要包括氧化铝（Al₂O₃）、氮化铝（AlN）和氮化硅（Si₃N₄）等。其中，采用直接覆铜（DBC）工艺的Al₂O₃基板因热导率较低，多用于对性能要求不高的场景。而采用活性金属钎焊（AMB）工艺的AlN基板（AlN-AMB-Cu）虽具备优异的散热性，适用于高功率环境，但其机械强度不足导致抗热循环冲击性能有限，制约了其应用范围。特别是随着碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等第三代半导体技术的成熟，功率器件的工作环境更为恶劣，使得传统Al₂O₃和AlN基板的可靠性面临严峻挑战。

相比之下，氮化硅AMB覆铜基板（Si₃N₄-AMB-Cu）凭借其高强度、高韧性、优异的耐热性及卓越的综合可靠性，展现出巨大的应用潜力 。Si₃N₄-AMB-Cu不仅散热能力与AlN相当，其使用寿命更是有望提升一个数量级以上。Miyazaki等的研究表明，在-40～250℃的热循环测试中，铜层为0.15 mm的Si₃N₄-AMB-Cu在1000次循环后仍完好无损。正因如此，该材料已成功应用于丰田和特斯拉等品牌的部分车型。

然而，高性能Si₃N₄陶瓷基板的制备技术目前主要由日本企业垄断，国内尚未实现量产，导致针对Si₃N₄-AMB-Cu的相关研究极为匮乏。为此，本文在成功研制出高性能Si₃N₄陶瓷基板的基础上，系统开展了Si₃N₄-AMB-Cu的可靠性评估研究，旨在为我国在高速铁路、智能电网及电动汽车等关键领域功率器件的自主发展，积累重要的基础实验数据。

1. 实验

1.1 材料与设备

实验所用主要原材料包括：国产高性能Si₃N₄陶瓷基片、无氧铜箔以及Ag-Cu系活性金属焊料（膏状）。

主要设备为：丝网印刷机（KM-SY4060A）与真空钎焊炉（YLM11-3020W）。

1.2 Si₃N₄-AMB-Cu的制备

采用活性金属钎焊（AMB）工艺制备氮化硅陶瓷覆铜基板，其流程如下：

图1 Si3N4-AMB-Cu陶瓷基板结构示意图

基片预处理：将Si₃N₄陶瓷基片置于70℃的蒸馏水中，超声清洗1分钟以去除表面污染物，随后烘干。

焊料涂覆：利用丝网印刷技术，将膏状活性金属焊料（主要成分为72Ag-28Cu，并添加微量活性元素）均匀涂覆于基片两侧，随后置于80℃烘箱中使溶剂挥发。

覆铜与钎焊：将印好焊料的基片两面覆盖无氧铜箔，然后置于真空钎焊炉中。在800℃、真空度10⁻³ Pa的条件下保温10分钟，完成钎焊连接，最终获得Si₃N₄-AMB-Cu样品。所得样品的结构示意图见图1。

2.1.1 力学性能

陶瓷基板在功率器件中承担着电路绝缘与芯片承载的关键角色，其力学性能直接决定了器件的使用寿命。本研究从弯曲强度、热膨胀匹配性与断裂韧性三个方面，论证了氮化硅（Si₃N₄）陶瓷基板相较于氮化铝（AlN）和氧化铝（Al₂O₃）的显著优势。

首先，极高的弯曲强度是实现基板薄型化的基础。由公式 (1) 所示的弯曲强度计算公式（σ = 3FL/(2bd²)）可知，在相同载荷下，所需基板厚度与材料强度的平方根成反比。如表1所示，Si₃N₄陶瓷的弯曲强度高达800 MPa，约为AlN（450 MPa）与Al₂O₃（400 MPa）的2倍。这意味着，在承受相同应力时，Si₃N₄基板的理论设计厚度可减至后两者的约0.7倍（即 1/√2）。

其次，优异的热膨胀匹配能显著降低热应力。如表2所示，Si₃N₄的热膨胀系数（2.4 ppm/K）与硅芯片（~2.5 ppm/K）极为接近，远低于AlN（4.6 ppm/K）和Al₂O₃（6.7 ppm/K）。由于热应力正比于热失配度，Si₃N₄基板在工作状态下产生的热应力远小于其他两者。理论计算表明，在同等热载荷下，Si₃N₄基板所需厚度甚至可小于AlN基板的0.3倍（即 1/√(10)），这从根本上提升了覆铜基板的可靠性。

此外，Si₃N₄陶瓷的断裂韧性（8.0 MPa·m¹/²）达到AlN与Al₂O₃（均为3.0 MPa·m¹/²）的2倍以上。该指标直接反映了材料抵抗裂纹扩展的能力，更高的断裂韧性使得Si₃N₄基板具备更优异的抗热冲击性能，从而确保功率模块拥有更长的服役寿命。

表1 Si₃N₄陶瓷材料的力学性能

*Note: (a) is made by Advanced Carbide Ceramics Group in SICCAS; (b) the data is from the website of Maruwa.

2.1.2 热学性能

热量管理是影响功率器件可靠性的关键因素，而陶瓷基板的热导率直接决定了其散热能力。根据傅里叶热传导定律，对于一维稳态传热，其热流关系可表述为：

Q/t = λA(T₂ - T₁)/l ……………… (2)

其中，Q/t 为热流速率，λ 为热导率，A 为截面积，l 为传热路径长度（即基板厚度），T₂ 与 T₁ 为两端温度。

在实际应用中，散热性能更常以热阻 R 来表征。结合公式(2)与热阻定义 R = (T₂ - T₁)/P（其中 P 为发热功率，且 P = Q/t），可推导出：

R = l / (λA) ……………… (5)

公式(5)表明，对于给定面积 (A) 的基板，其热阻 (R) 与材料厚度 (l) 成正比，与热导率 (λ) 成反比。

基于此理论，尽管本研究中Si₃N₄陶瓷的热导率（90 W/(m·K)）约为AlN（180 W/(m·K)）的一半（见表2），但通过将Si₃N₄基板的厚度减薄至AlN基板的1/2，即可实现相同的热阻，从而获得同等的散热效能。更重要的是，如2.1.1节力学性能分析所述，得益于Si₃N₃极高的弯曲强度与断裂韧性，此种厚度的减薄并不会牺牲其结构可靠性，反而在降低热应力的同时实现了高效散热。

2.1.3 电学性能

前述分析表明，通过减薄Si₃N₄基板以降低热阻的方案，在力学与热学性能上均具备可行性。然而，基板厚度的减小对其电气绝缘强度提出了更高要求，这直接关系到其在高压环境下的应用可靠性。

尽管在工作电压为300-700 V的电动汽车领域，现有AlN与Al₂O₃陶瓷基板的绝缘性能已可满足需求；但在高速铁路等应用场景中，功率器件的工作电压可高达6,500 V甚至更高，这对陶瓷基板的电气强度构成了严峻挑战。

表2 Si₃N₄陶瓷材料的热学性能

表3 Si₃N₄陶瓷材料的电学性能

如表3所示，本研究制备的Si₃N₄陶瓷在直流与交流条件下的击穿强度均达到40 kV/mm，显著优于AlN与Al₂O₃（均为15 kV/mm）。同时，自制Si₃N₄基板的体积电阻率为3.7×10¹⁴ Ω·cm，与进口高端产品性能相当，且在其他绝缘性能上展现出更优的潜力。

基于上述数据，以6,500 V高压应用为例进行理论计算：由于自制Si₃N₄陶瓷的击穿强度约为竞争对手的2.7倍，这意味着在满足相同绝缘要求的前提下，其所需的安全厚度可相应减薄至后者的一半以下。此结果表明，自制Si₃N₄基板成功实现了“高绝缘强度”与“薄型化”的兼顾，为其在高压功率器件中的可靠应用提供了关键保障。

2.2 氮化硅陶瓷覆铜基板的可靠性评估

2.2.1 剥离强度

在功率器件的热循环过程中，铜层剥离是其主要失效模式之一。因此，覆铜基板的界面结合强度是评估其可靠性的关键指标。由表4可知，自制Si₃N₄-AMB-Cu的剥离强度达到130 N/cm，与进口产品（100 N/cm）相当，并显著高于Al₂O₃-DBC-Cu（40 N/cm）。尽管其值略低于AlN-AMB-Cu（180 N/cm），但由于Si₃N₄与铜层之间更低的热失配所产生的热应力更小，其在热冲击下的实际抗剥离能力反而更强，这直接体现在其卓越的高低温循环性能上。

表4 Si₃N₄-AMB陶瓷覆铜基板的铜箔剥离强度

*Note: (a) is made by Advanced Carbide Ceramics Group in SICCAS; (b) is from the Maruwa; (c) the data is from the website of Rogers Corporation.

2.2.2 散热性能

如2.1节所述，通过减薄Si₃N₄基板可实现与AlN相当的热阻。此外，AMB工艺所形成的Ag-Cu合金钎焊界面，其热导率远高于DBC工艺产生的Cu-O共晶界面。这意味着Si₃N₄-AMB-Cu具有更低的界面热阻，从而在实际封装中展现出比理论预测更优的整体散热能力。

2.2.3 高低温循环冲击性能

表5对比了自制与商用产品的高低温循环冲击性能。在-45～150℃的严苛条件下，自制Si₃N₄-AMB-Cu的寿命分别是AlN-AMB-Cu和Al₂O₃-DBC-Cu的10倍与100倍，且与进口产品性能相当。

更关键的是，其失效模式存在本质区别。如图2与图3所示，在0.32 mm/0.25 mm铜层结构下经历5000次循环后，自制Si₃N₄-AMB-Cu仅出现零星微小孔洞，陶瓷本体无任何微裂纹；而AlN-AMB-Cu在500次循环后即出现大量空洞与微裂纹。这表明自制Si₃N₄-AMB-Cu在极端热应力下仍能保持结构完整，具备极高的可靠性，这与文献报道结论一致。

表5 Si3N4、AlN和Al2O3陶瓷覆铜基板的可靠性

*Note: Thermal shock temperature is -45-150 ℃; (a) self made Si3N4-AMB-Cu; (b) experimental data of imported products from Japan.

图2 Si3N4-AMB-Cu(铜厚0.32 mm/0.25 mm)在-45～150 ℃高低温循环冲击5 000次后超声扫描照片

图3 AlN-AMB-Cu(铜厚0.32 mm/0.25 mm)在-45～150 ℃高低温循环冲击500次后超声扫描照片

核心挑战】：铜层增厚 ➡️ 载流能力✅提升，但界面应力❌增大，导致可靠性下降。

【实验发现】：Si₃N₄-AMB-Cu 成功突破此限制