在新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、高速鐵路等高端裝備領(lǐng)域，功率組件的可靠性與性能直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。活性金屬接合氮化硅陶瓷基板（Si₃N₄ AMB）憑借高導(dǎo)熱率、高韌性、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異綜合性能，_以及遠(yuǎn)超現(xiàn)有其他陶瓷基板的可靠性，成為高端高功率器件封裝的不二之選。下面由深圳金瑞欣小編將系統(tǒng)解析商用陶瓷基板材料特性、活性金屬焊接（AMB）核心技術(shù)及行業(yè)發(fā)展趨勢，為相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)者提供專業(yè)參考。

一、主流商用陶瓷基板材料特性對比

當(dāng)前功率模塊封裝領(lǐng)域，陶瓷基板材料的選擇需兼顧性能、成本與應(yīng)用場景，不同材料的特性差異決定了其適用范圍的邊界。其中，氧化鋁直接覆銅（DBC）基板因工藝成熟、成本低廉，成為目前應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)型陶瓷基板，但較低的導(dǎo)熱率與機(jī)械性能，使其難以滿足高端高功率場景的需求。

隨著碳化硅（SiC）功率組件在新能源汽車等領(lǐng)域的快速崛起，高性能封裝需求持續(xù)升級，各類陶瓷基板的優(yōu)劣愈發(fā)凸顯，具體特性如下：

• 氧化鋁（Al₂O₃）基板：作為傳統(tǒng)主流材料，其工藝成熟、性價(jià)比高，廣泛應(yīng)用于中低功率場景，但導(dǎo)熱率與機(jī)械強(qiáng)度有限，無法適配高階功率組件的散熱與可靠性要求。

• 氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）基板：通過氧化鋯改性提升了機(jī)械強(qiáng)度與可靠性，解決了普通氧化鋁韌性不足的問題，但導(dǎo)熱率與氧化鋁基本持平，在高功率密度場景中的應(yīng)用受到限制。

• 氮化鋁（AlN）基板：具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱率可達(dá)氧化鋁的7-8倍，且熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料匹配度良好，但高昂的成本與偏低的可靠性，成為其規(guī)模化應(yīng)用的核心瓶頸。

• 氮化硅（Si₃N₄）基板：目前綜合性能最優(yōu)的陶瓷基板材料，兼具優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、韌性、低熱膨脹系數(shù)、抗高溫蠕變性與化學(xué)惰性。其導(dǎo)熱率為氧化鋁的3-4倍，雖略低于氮化鋁，但彎曲強(qiáng)度接近氮化鋁的兩倍，可在滿足使用需求的前提下將基板做得更薄——0.32mm厚的氮化硅基板熱阻，可與0.635mm厚的氮化鋁基板持平，是高端功率組件封裝的最優(yōu)選擇。

氮化硅基板產(chǎn)能格局

高導(dǎo)熱氮化硅基板的生產(chǎn)技術(shù)門檻極高，目前全球可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)的企業(yè)主要集中在日本，其中東芝材料（Toshiba Materials）以年產(chǎn)100,000㎡位居首位，丸和（Maruwa）、電氣化學(xué)（Denka）、京瓷（Kyocera）、日本精密陶瓷（JFC）依次緊隨其后，合計(jì)占據(jù)全球主要產(chǎn)能。

隨著新能源汽車市場的爆發(fā)式增長，全球氮化硅基板的市場需求持續(xù)攀升。據(jù)行業(yè)預(yù)估，2025年全球氮化硅基板新增年需求將達(dá)到600,000㎡，在此背景下，東芝、Denka、JPC等日本企業(yè)紛紛宣布產(chǎn)能擴(kuò)充計(jì)劃，原本專注于氮化鋁基板的日本德山（Tokuyama）也于2020年正式布局Si?N?基板領(lǐng)域。國內(nèi)市場方面，中材高新、臻璟等企業(yè)正加速技術(shù)突破，逐步實(shí)現(xiàn)氮化硅基板的國產(chǎn)化替代，推動(dòng)行業(yè)良性發(fā)展。

二、陶瓷基板接合工藝：DBC與AMB的核心差異

陶瓷與銅的接合工藝，直接決定基板的接合強(qiáng)度與可靠性，不同陶瓷材料因化學(xué)特性差異，適配的接合工藝也有所不同：

氧化鋁、ZTA等氧化物陶瓷，以及氮化鋁基板，可采用DBC（直接覆銅）技術(shù)實(shí)現(xiàn)與銅的接合。該工藝通過將無氧銅經(jīng)熱氧化或化學(xué)氧化處理，在表面形成Cu?O層，隨后在1065-1083℃的溫度范圍內(nèi)，利用Cu-Cu?O共晶液相潤濕接觸面，生成CuAlO?化合物，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與銅的穩(wěn)定鍵合。其中，氮化鋁基板需先對表面進(jìn)行預(yù)氧化處理，再采用DBC技術(shù)接合。

而氮化硅（Si₃N₄）因化學(xué)特性穩(wěn)定，無法與銅形成Cu-Si-O化合物，因此必須采用活性金屬接合（Active Metal Brazing，AMB）技術(shù)。該技術(shù)通過在銅與陶瓷基板之間放置含活性元素的焊料，加熱至焊料合金熔點(diǎn)以上，使活性元素與陶瓷表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)兩種異質(zhì)材料的牢固接合。相較于DBC工藝，AMB接合強(qiáng)度更高、可靠性更優(yōu)，同時(shí)氮化鋁基板也可通過AMB技術(shù)覆銅，進(jìn)一步提升其可靠性。

冷熱沖擊可靠性測試對比

陶瓷覆銅基板的可靠性，通常通過-55℃~150℃冷熱沖擊試驗(yàn)進(jìn)行評估。對常用陶瓷基板進(jìn)行雙面貼銅（銅箔厚度0.3mm，無Dimple、側(cè)壁等特殊設(shè)計(jì)）后，按照不同頻次進(jìn)行取樣檢測，結(jié)果顯示：

氧化鋁及氮化鋁基板因破斷韌性較低，冷熱循環(huán)壽命最短；ZTA基板作為氧化鋯增韌改性產(chǎn)品，壽命較普通氧化鋁基板提升兩倍；而氮化硅AMB基板憑借優(yōu)異的韌性，以及焊料金屬層提供的應(yīng)力緩沖作用，在經(jīng)過5000次冷熱循環(huán)后，仍未觀察到失效現(xiàn)象，表現(xiàn)出極強(qiáng)的可靠性。

冷熱沖擊試驗(yàn)中，基板的典型失效模式為貝殼狀裂痕，其成因是銅與陶瓷之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異較大——純銅CTE為17.6 ppm/K，氧化鋁為6.7 ppm/K，溫度變化時(shí)，接合界面限制銅的形變，形成應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)裂紋萌生，并沿陶瓷平行方向逐步擴(kuò)展。氮化硅AMB基板憑借高韌性與強(qiáng)接合力，有效抑制了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，成為高端場景的核心選擇。

據(jù)Growth Market Reports預(yù)估，2020-2027年全球Si?N? AMB基板的年復(fù)合增長率將達(dá)到5.9%，2027年市場規(guī)模將突破1.6億美元。目前，全球Si?N? AMB技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商主要為美國Rogers（市占率40%）、日本Ferrotec（市占率35%）與德國Heraeus，引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向。

三、活性金屬焊接（AMB）核心技術(shù)解析

陶瓷與金屬的化學(xué)性質(zhì)差異顯著，陶瓷由離子鍵及共價(jià)鍵組成，金屬則為金屬鍵，常規(guī)情況下，熔融金屬無法潤濕陶瓷表面，難以實(shí)現(xiàn)有效接合。目前，異質(zhì)接合主要有兩種方式：一是對陶瓷表面進(jìn)行改性，通過特殊涂層提升其與金屬的親和性（如傳統(tǒng)Mo-Mn法），但該工藝步驟繁瑣，效率較低；二是采用活性金屬硬焊法，也是目前AMB技術(shù)的核心原理。

1. 活性金屬焊料的作用機(jī)制

活性金屬硬焊法的核心的是在焊料中添加活性元素，常用的活性元素為IV B族與V B族過渡元素（Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta），其中鈦（Ti）的活性最優(yōu)，應(yīng)用最廣泛、研究最深入。Ti與陶瓷表面反應(yīng)速度更快，所需添加濃度與反應(yīng)溫度更低，且能有效降低焊料合金在陶瓷表面的接觸角，顯著改善潤濕性。

活性元素Ti在焊接過程中，會(huì)與陶瓷表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與氧化物、碳化物、氮化物陶瓷分別形成TiO、TiC、TiN等化合物，使陶瓷表面具備部分金屬特性，從而實(shí)現(xiàn)焊料合金與陶瓷的化學(xué)鍵合，達(dá)成牢固接合。

2. 主流焊料體系：Ag-Cu-Ti合金

Ag-Cu-Ti合金系統(tǒng)是陶瓷與金屬硬焊接合中最常用的焊料體系。Ag-Cu合金具有低熔點(diǎn)（779℃）共晶相，可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)接合，且銀（Ag）的存在能大幅提升Ti的熱力學(xué)活性，促進(jìn)其與陶瓷表面的反應(yīng)。工業(yè)上最常用的配比為近共晶組成（Ag-28Cu wt.%）的銀銅合金中，添加1~5wt.%的Ti，該配比的焊料在800~900℃范圍內(nèi)可潤濕大多數(shù)陶瓷表面，焊接強(qiáng)度高且性能穩(wěn)定。

Ag-Cu-Ti三元系統(tǒng)的核心特性的是，Ti?Cu與Ti?Ag因晶體結(jié)構(gòu)相同，可形成連續(xù)性固溶體；同時(shí)在富Ti與富Ag的液相間存在不互溶區(qū)（Miscibility Gap），這一特性對焊料性能與界面反應(yīng)具有重要影響。此外，在焊料中添加Sn、In等元素，可進(jìn)一步降低熔體表面張力與熔點(diǎn)，將焊接溫度降至700-750℃，同時(shí)提升焊料塑性，緩解焊接殘留應(yīng)力，但會(huì)導(dǎo)致接合強(qiáng)度略有下降。

3. Ti含量對接合性能的影響

Ti元素的添加量是影響AMB接合性能的關(guān)鍵因素：Ti含量過低，無法充分與陶瓷表面反應(yīng)，潤濕性不足，接合強(qiáng)度較低；Ti含量過高，則會(huì)在界面形成脆性介金屬化合物，反而降低接合強(qiáng)度。

相關(guān)研究表明，隨著Ti含量增加與接合溫度升高，氮化鋁（AlN）表面的TiN反應(yīng)層會(huì)從島狀、不連續(xù)狀態(tài)，逐步成長為連續(xù)的TiN層，此時(shí)焊接效果最佳，銅箔剝離強(qiáng)度達(dá)到峰值；當(dāng)Ti含量繼續(xù)增加、反應(yīng)層進(jìn)一步增厚，過多的Ti會(huì)沿AlN晶界反應(yīng)，形成網(wǎng)狀TiN并包圍AlN晶粒，最終導(dǎo)致AlN晶粒完全轉(zhuǎn)化為TiN。由于TiN的體積小于AlN（VTiN/VAIN=0.915），反應(yīng)生成的TiN層呈多孔疏松結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致接合強(qiáng)度大幅下降，甚至出現(xiàn)脆化粉碎現(xiàn)象。

四、Ag-Cu-Ti焊料的工業(yè)應(yīng)用形式

在工業(yè)生產(chǎn)中，Ag-Cu-Ti焊料主要以焊膏與焊片兩種形式應(yīng)用，兩種形式各有優(yōu)劣，適配不同的生產(chǎn)場景：

1. 焊膏形式

焊膏的制備工藝為：將Ag、Cu、Ti粉末按所需比例混合（也可采用銀銅合金粉、銀包銅粉替代Ag、Cu粉，或用TiH?粉替代Ti粉以提升活性），再與有機(jī)溶劑調(diào)配成膏狀。其應(yīng)用流程為：通過網(wǎng)版印刷將焊膏涂覆在陶瓷基板表面，隨后與銅片進(jìn)行硬焊貼合。

該工藝的優(yōu)勢在于操作簡單、制程成熟、生產(chǎn)效率高，適合大規(guī)模量產(chǎn)；不足之處在于，焊膏在真空中加熱時(shí)，會(huì)揮發(fā)大量有機(jī)物，導(dǎo)致焊接面不夠致密，同時(shí)揮發(fā)的有機(jī)物會(huì)縮短真空泵的使用壽命，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性。

2. 焊片形式

焊片的制備流程為：采用真空熔煉、粉末冶金法或?qū)訝顝?fù)合法制備合金原材料，隨后經(jīng)過反復(fù)軋延、退火處理，制成金屬箔片，最終與陶瓷基板、銅箔裝配于真空爐中進(jìn)行貼合。

該工藝的難點(diǎn)在于，Ag、Cu、Ti三種元素的比重差異較大，真空熔煉過程中易出現(xiàn)成分偏析，且銀的飽和蒸汽壓較高，易發(fā)生揮發(fā)；此外，熔煉過程中容易析出Cu-Ti、Ag-Ti等脆性化合物，給后續(xù)軋延、退火等加工環(huán)節(jié)帶來困難。

商用焊片及Ti活性保護(hù)

目前市面上常見的商用焊片主要有兩種：Cusil ABA（組成：Ag-35.25Cu-1.75Ti wt.%）與Ticusil（組成：Ag-26.7Cu-4.5Ti wt.%）。由于Ti元素活性極高，極易氧化而失去反應(yīng)活性，無法與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此需采取特殊結(jié)構(gòu)保護(hù)Ti的活性：Cusil ABA采用Cu?Ti化合物顆粒分散在Ag-Cu共晶合金中的結(jié)構(gòu)，Ticusil則采用Ag-Cu合金包覆Ti箔的結(jié)構(gòu)，兩種方式均可確保大部分Ti能參與反應(yīng)，充分潤濕陶瓷表面。

此外，焊接過程中，液態(tài)合金中可參與反應(yīng)的Ti含量，與Ti的添加形式和持溫溫度密切相關(guān)：750-800℃時(shí)，Ti會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入Ag-Cu共晶液相中，形成TiCu?等介金屬化合物；溫度升至850℃時(shí)，Ti會(huì)從TixCuy化合物中溶出，此時(shí)Ag-Cu熔體中可參與反應(yīng)的Ti含量，受該溶出步驟的動(dòng)力學(xué)限制。因此，精準(zhǔn)控制焊接溫度與持溫時(shí)間，是保證AMB接合質(zhì)量的關(guān)鍵。

五、AMB技術(shù)核心難點(diǎn)：界面孔洞缺陷控制

界面孔洞是影響AMB基板可靠性的核心缺陷，其存在不僅會(huì)降低界面剝離強(qiáng)度，誘發(fā)裂紋產(chǎn)生，Rogers公司相關(guān)報(bào)告更指出，孔洞周圍易出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，導(dǎo)致基板在服役過程中發(fā)生高壓擊穿，嚴(yán)重影響功率組件的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，控制貼合界面孔洞的產(chǎn)生，是AMB技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

Ag-Cu-Ti AMB界面孔洞的主要成因及控制措施如下：

1. 原材表面缺陷：銅箔、陶瓷基板及焊片表面的凹坑、劃痕、氧化層及污染物，會(huì)嚴(yán)重影響焊料的潤濕與鋪展，進(jìn)而形成孔洞。因此，焊接前需對所有原材料進(jìn)行嚴(yán)格的除油、除氧化處理，確保表面清潔無雜質(zhì)。

2. Ti活性保護(hù)：Ti元素極易氧化，氧化后會(huì)失去活性，無法與陶瓷發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致焊料無法潤濕陶瓷表面。因此，焊接必須在真空度低于10?3Pa的高真空環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)嚴(yán)格控制焊料本身的氧含量（一般不超過0.3%~0.5%），確保Ti的反應(yīng)活性。

3. 焊接參數(shù)控制：焊接溫度過低或持溫時(shí)間不足，焊料無法充分潤濕氮化硅基板表面，易形成孔洞；溫度過高或持溫時(shí)間過長，則會(huì)產(chǎn)生過多脆性化合物，影響接合強(qiáng)度。通常，焊接溫度控制在焊料合金液相線溫度以上50~100℃，同時(shí)施加適當(dāng)壓力，確保母材與焊料緊密接觸，擠出界面氣體，提升接合質(zhì)量。

4. 焊膏印刷品質(zhì)：大面積網(wǎng)版印刷焊膏時(shí)，易出現(xiàn)漏印、印刷不均勻等問題，導(dǎo)致后續(xù)貼合過程中焊料分布不均，形成孔洞。因此，需優(yōu)化印刷工藝參數(shù)，確保焊膏印刷均勻、無缺陷。

5. 焊膏放氣問題：高溫貼合過程中，焊膏中的有機(jī)助劑會(huì)分解放出氣體，助焊劑中的有機(jī)酸與金屬氧化物反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生氣體，這些氣體若在焊料凝固前無法及時(shí)排出，會(huì)滯留于界面形成孔洞。因此，需優(yōu)化焊膏配方，減少有機(jī)助劑含量，同時(shí)合理控制升溫速率，為氣體排出預(yù)留充足時(shí)間。

六、行業(yè)未來發(fā)展趨勢

隨著新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通等領(lǐng)域?qū)β式M件性能要求的不斷提升，Si?N? AMB基板及相關(guān)技術(shù)正朝著更高性能、更低成本、更易產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，主要趨勢如下：

1. 高導(dǎo)熱氮化硅基板研發(fā)

提升氮化硅基板的導(dǎo)熱率，是適配更高功率組件的核心需求。理論計(jì)算顯示，β-Si?N?在a軸與c軸的導(dǎo)熱率分別可達(dá)170 W/m·K和450 W/m·K，目前已報(bào)道的Si?N?基板最高導(dǎo)熱率已達(dá)到170 W/m·K，可與氮化鋁陶瓷媲美。未來，通過材料配方優(yōu)化、制備工藝改進(jìn)，將進(jìn)一步提升氮化硅基板的導(dǎo)熱性能，拓展其應(yīng)用邊界。

2. 厚銅箔貼合技術(shù)突破

為滿足高電流載荷需求，AMB技術(shù)正不斷挑戰(zhàn)更厚的銅箔貼合（銅箔厚度＞1mm），但厚銅箔的線路蝕刻的成為核心技術(shù)難點(diǎn)。針對這一問題，日本TANAKA公司另辟蹊徑，開發(fā)出活性金屬硬焊合金/銅的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了預(yù)成形再貼合的創(chuàng)新制程，有效解決了厚銅蝕刻難題，為厚銅AMB基板的產(chǎn)業(yè)化提供了新路徑。

3. 界面層減薄技術(shù)發(fā)展

界面層是基板z軸熱阻的主要貢獻(xiàn)者，因此，降低界面層厚度是提升基板導(dǎo)熱性能的必然趨勢。但界面層越薄，焊接過程中可提供的液相焊料越少，需要施加更大的壓力，確保銅片、焊料與氮化硅基板之間緊密接觸，這對焊接設(shè)備與工藝控制提出了更高要求。

4. 低成本化與無銀化發(fā)展

價(jià)格昂貴是Si₃N₄ AMB基板難以大規(guī)模普及的主要瓶頸。為解決這一問題，行業(yè)內(nèi)正積極推進(jìn)無銀化技術(shù)研發(fā)，德國Heraeus公司推出的Condura ultra無銀Si₃N₄ AMB基板，不僅有效降低了生產(chǎn)成本，還解決了傳統(tǒng)銀基焊料難以蝕刻、易發(fā)生銀遷移的問題，為Si₃N₄ AMB基板的規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

總結(jié)

Si?N? AMB基板憑借優(yōu)異的綜合性能，在高端高功率器件封裝領(lǐng)域的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，是目前唯一能充分發(fā)揮化合物半導(dǎo)體高性能的基板材料。盡管當(dāng)前仍面臨成本較高、厚銅蝕刻等技術(shù)難題，但隨著市場需求的持續(xù)增長與技術(shù)的不斷突破，各大廠商紛紛加大產(chǎn)能投入與研發(fā)力度，推動(dòng)Si?N? AMB陶瓷基板向高導(dǎo)熱、厚銅箔、薄界面、低成本方向發(fā)展。

未來，Si₃N₄ AMB基板將逐步取代傳統(tǒng)陶瓷基板，成為新能源、高端裝備等領(lǐng)域功率封裝的主流方案，為全球高端制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供核心支撐。金瑞欣作為擁有十多年歷史的特陶瓷電路板廠家，始終致力于電路板的研發(fā)生產(chǎn)。擁有先進(jìn)陶瓷生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，以快速的交期和穩(wěn)定的品質(zhì)滿足客戶的研發(fā)進(jìn)程和生產(chǎn)需要，品質(zhì)優(yōu)先，占領(lǐng)市場先機(jī)。陶瓷板交期打樣7~10天，批量10~15天，具體交期要看陶瓷電路板圖紙、加工要求及其難度，快速為您定制交期，以“品質(zhì)零缺陷”為宗旨，提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)。若您有相關(guān)需求，歡迎與我們聯(lián)系，我們將竭誠為您服務(wù)。