中國粉體網訊 碳化硅（SiC）作為寬禁帶半導體材料，相對于Si基器件具備降低電能轉換過程中的能量損耗、更容易小型化、更耐高溫高壓的優勢。如今，SiC“上車”已成為新能源汽車產業難以繞開的話題，而這要歸功于搭載意法半導體碳化硅器件的特斯拉Model 3的問世，使諸多半導體企業在碳化硅上“卷”了起來。
SiC在新能源汽車上的應用優勢
提升加速度
新能源汽車的加速性能與動力系統輸出的最大功率和最大扭矩密切相關，SiC技術允許驅動電機在低轉速時承受更大輸入功率，且不怕電流過大導致的熱效應和功率損耗，這就意味著車輛起步時，驅動電機可以輸出更大扭矩，強化加速能力。
增加續航里程
SiC器件通過導通/開關兩個維度降低損耗，從而實現增加電動車續航里程的目的。
汽車輕量化
SiC材料載流子遷移率高，能提供較高的電流密度，相同功率等級下封裝尺寸更小。SiC能夠實現高頻開關，減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等的使用，從而減少系統體系和重量；SiC禁帶寬度寬且具有良好的熱導率，可以使器件工作于較高的環境溫度中，從而減少散熱器體積；SiC可以降低開關與導通損耗，使系統效率提升，同樣續航范圍內，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。
電機控制器中使用SiC產品帶來的收益（來源：羅姆公司）
此外，隨著汽車電動化快速進入到2.0快充階段，高壓快充系統成為車企不約而同的選擇。目前，越來越多車企陸續發布了搭載800V高電壓平臺的車型。電壓平臺的升高，將意味著核心三電系統以及空調壓縮機、DCDC、OBC等部件以及充電樁都要能在800V甚至1000V的電壓下正常工作。而SiC具有高耐壓特性，在1200V的耐壓下阻抗遠低于Si，對應的導通損耗會相應降低，同時由于SiC可以在1200V耐壓下選擇MOSFET封裝，可以大幅降低開關損耗，因此受到多家車企的青睞。
Si3N4-AMB基板是SiC器件封裝基板的首選
以往被廣泛使用的直接覆銅（DBC）陶瓷基板是通過共晶鍵合法制備而成，銅和陶瓷之間沒有粘結材料，在高溫服役過程中，往往會因為銅和陶瓷（Al2O3或AlN）之間的熱膨脹系數不同而產生較大的熱應力，從而導致銅層從陶瓷表面剝離，因此傳統的DBC陶瓷基板已經難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求。
Si3N4-AMB覆銅基板則是利用活性金屬元素（Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等）可以潤濕陶瓷表面的特性，將銅層通過活性金屬釬料釬焊在Si3N4陶瓷板上。通過活性金屬釬焊（AMB）工藝形成的銅/陶瓷界面粘結強度更高，且Si3N4陶瓷相比Al2O3和AlN同時兼顧了優異的機械性能和良好的導熱性，因此Si3N4-AMB覆銅基板在高溫下的服役可靠性更強，是SiC器件封裝基板的首選。
三種陶瓷基板材料性能對比（來源：張偉儒，《第3代半導體碳化硅功率器件用高導熱氮化硅陶瓷基板最新進展》）
Si3N4-AMB基板制備流程
AMB工藝根據釬焊料不同，目前主要分為放置銀銅鈦焊片和印刷銀銅鈦焊膏兩種。
以后者為例，工藝流程如下圖所示。首先將Ag、Cu、Ti元素直接以粉末形式混合制成漿料，采用絲網印刷技術將Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上，再利用熱壓技術將銅箔層壓在焊料上，最后通過燒結、光刻、腐蝕及鍍Ni工藝制備出符合要求的氮化硅AMB覆銅板。
氮化硅AMB覆銅板制備工藝流程圖（來源：李伸虎等，《銀銅鈦焊膏制備Si3N4陶瓷覆銅基板工藝》）
在AMB工藝中，利用Ti等過渡金屬與Ag、Cu等元素形成合金焊料，具有很強的化學活性，能夠與氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等發生反應，促使熔融焊料潤濕陶瓷表面，完成氮化硅與無氧銅的連接。活性元素Ti與氮化硅陶瓷反應的主要產物是TiN和TiAl3。
但這兩種方法都存在一定局限。首先，焊片工藝所用的銀銅鈦焊片在制備過程中容易出現活性元素Ti的氧化、偏析問題，導致成材率極低，焊接接頭性能較差。對于焊膏工藝，在高真空中加熱時有大量有機物揮發，導致釬焊界面不致密，出現較多空洞，使得基板在服役過程中易出現高壓擊穿、誘發裂紋的問題。此外，釋放的有機揮發物會污染真空腔體和泵組管道，影響分子泵的使用壽命。
據此，李伸虎等創新地提出了銀銅鈦焊膏的預脫脂釬焊工藝，可以在保護高真空設備的同時，顯著降低Si3N4陶瓷-銅的界面空洞率。
此外，AMB工藝還還存在一些短板，其技術實現難度要比DBC、DPC兩種工藝大很多，對技術要求高，且在良率、材料等方面還有待進一步完善，這使得該技術目前的實現成本還比較高。
Si3N4-AMB基板發展前景
采用活性金屬釬焊技術制備的Si3N4-AMB覆銅基板導熱性好、強度高、性能穩定，是當下最具競爭力的SiC功率器件用封裝基板。
目前，具備高品質Si3N4-AMB覆銅基板的生產能力的企業主要集中在歐、日、韓等國家，如德國的Rogers Corporation，日本的NGK、Denka、KYOCERA 、東芝，韓國的KCC集團、AMOGREENTECH等。
而我國在這一領域的研發起步較晚，不過也涌現出了一批先行企業，如博敏電子、華清電子、富樂華半導體等。不過本土企業在技術上，較國際領先企業還存在一定差距。Si3N4-AMB封裝基板的發展不僅需要解決活性釬料的制備、真空釬焊等工藝問題，高質量原材料的供應始終依賴進口也是國內該行業發展遲緩的原因之一。高導熱Si3N4陶瓷和高品質銅箔的國產化供應，將是Si3N4-AMB基板發展的動力源泉。建立從原材料供應開始到最終產品輸出的技術工藝路線和完整供應鏈，仍是國產Si3N4-AMB基板產業一直需要努力的目標。
參考來源：
1、李伸虎等，《氮化硅覆銅基板活性釬焊研究進展》
2、張偉儒，《第3代半導體碳化硅功率器件用高導熱氮化硅陶瓷基板最新進展》
3、陳東坡，《碳化硅在新能源汽車中的應用現狀與導入路徑》
4、李伸虎等，《銀銅鈦焊膏制備Si3N4陶瓷覆銅基板工藝》
5、楊春燕等，《高導熱氮化硅覆銅板在功率器件中的應用可靠性》
（中國粉體網編輯整理/長安）
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