氮化硅陶瓷覆銅基板制備及可靠性評估

余曉初，張 輝，陸 聰，王曉剛，劉國友，劉學建，黃政仁

(1.無錫天楊電子有限公司，無錫 214000；2.中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海 201899； 3.株洲中車時代電氣股份有限公司，株洲 412001)

0 引 言

為了解決日益嚴重的環境問題，作為清潔能源的電力成為世界各國關注的焦點，能源利用電氣化成為發展的方向。在電力的應用中，大功率電力電子器件(典型如絕緣柵雙極晶體管-IGBT)是實現能源控制與轉換的核心，廣泛應用于高速鐵路、智能電網、電動汽車與新能源裝備等領域[1-2]。隨著能量密度提高，功率器件對陶瓷覆銅基板的散熱能力和可靠性的要求越來越高。目前功率器件用陶瓷覆銅基板的材料主要有氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si3N4)等[3-4]。Al2O3覆銅基板主要采用直接覆銅方法(Direct Bonded Copper,DBC)制備[5-6]，其熱導率低，散熱能力有限，多用于功率密度不高且對可靠性沒有嚴格要求的領域。AlN覆銅基板主要采用具有更高可靠性的活性金屬釬焊工藝(Active Metal Brazing,AMB)，由于氮化鋁AMB覆銅基板(AlN-AMB-Cu)具有較高的散熱能力，從而適用于一些高功率、大電流的工作環境，但是由于機械強度相對較低，使得AlN-AMB-Cu的高低溫循環沖擊壽命有限，限制了其應用范圍。另一方面，隨著第三代功率芯片(如SiC、GaN)制備技術的成熟[7-8]，更高功率密度和更高工作環境溫度導致Al2O3和AlN覆銅基板的高低溫循環沖擊次數迅速下降，可靠性降低，不能滿足使用要求。氮化硅AMB覆銅基板(Si3N4-AMB-Cu)以其高強度、高韌性、耐高溫、可靠性高等優異的綜合熱力學性能成為較有前途的候選材料之一[9-12]。……