AMB活性金屬釬焊法，陶瓷與金屬的完美結(jié)合

AMB（Active Metal Brazing）即活性金屬釬焊法，這是一種在DBC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的將陶瓷與金屬封接的方法。

相比于傳統(tǒng)的DBC基板，采用AMB工藝制備的陶瓷基板，不僅具有更高的熱導(dǎo)率、更好的銅層結(jié)合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢(shì)；此外，因其加工過(guò)程能在一次升溫中完成，操作簡(jiǎn)便、時(shí)間周期短、封接性能好并且對(duì)陶瓷的適用范圍廣，所以該工藝在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快，成為了電子器件中常用的一種方法。

AMB工藝描述

AMB實(shí)施中，是在釬料中加入活性元素，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在陶瓷表面形成反應(yīng)層，提高釬料在陶瓷表面的潤(rùn)濕性，從而使得陶瓷與金屬之間直接進(jìn)行釬焊封接。

在制備中，主要選用Ti、Zr、Hf等金屬元素做焊料，原因是他們?cè)谠刂芷诒硖幱谶^(guò)渡區(qū)間，能夠與陶瓷表面的氧、碳、氮或硅發(fā)生化學(xué)鍵合，與Cu、Ni、Ag-Cu等在低于各自熔點(diǎn)的溫度下形成合金，從而在陶瓷表面形成一個(gè)反應(yīng)層，為陶瓷表面增加更高程度的金屬特性，使釬焊合金能夠有效地潤(rùn)濕和擴(kuò)散。此外，反應(yīng)層還可以在熱膨脹系數(shù)不匹配接頭表面形成過(guò)渡層來(lái)減少熱引起的殘余應(yīng)力。

值得注意的是，AMB的封接性能相比通過(guò)金屬化法制備樣品的性能偏低。因此，亟待研發(fā)出高性能的AMB工藝來(lái)提高釬焊產(chǎn)品的質(zhì)量。

通常，活性元素含量在2wt.%~8wt.%之間有較好的活性，當(dāng)活性元素的含量過(guò)高時(shí)會(huì)造成釬料的脆性增大，從而降低封接面的強(qiáng)度，當(dāng)活性元素的含量過(guò) 低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致釬料對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性降低，造成封接不易完成。

AMB的三種陶瓷材料

AMB 工藝生產(chǎn)的陶瓷襯板主要運(yùn)用在功率半導(dǎo)體模塊上作為硅基、碳化基功率芯片的基底。目前，成熟應(yīng)用的AMB陶瓷基板主要有：氧化鋁、氮化鋁和氮化硅基板。

目前，Al₂O₃覆銅陶瓷基板主要應(yīng)用在LED等小功率散熱器件中、AlN 和 Si₃N₄覆銅陶瓷基板主要應(yīng)用在高鐵和風(fēng)力發(fā)電等大功率IGBT模塊中。

Al₂O₃陶瓷基板

Al₂O₃陶瓷來(lái)源廣泛、成本最低，是性價(jià)比最高的AMB陶瓷基板，工藝最為成熟。具有強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫、抗腐蝕、耐磨以及絕緣性能好等優(yōu)異特性。

但由于氧化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率低、散熱能力有限，AMB氧化鋁基板多用于功率密度不高且對(duì)可靠性沒(méi)有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。

AMB陶瓷板

目前，經(jīng)過(guò)數(shù)代科研人員針對(duì) Al₂O₃陶瓷的 AMB 工藝做了一系列的研究和探討，總結(jié)了一些典型的 Al₂O₃陶瓷活性釬焊的系統(tǒng)體系，如下表：

釬焊 Al2O3 陶瓷的典型釬料、工藝參數(shù)、反應(yīng)產(chǎn)物及接頭強(qiáng)度

AlN 陶瓷基板

AlN 陶瓷由于具有高熱導(dǎo)率（理論熱導(dǎo)率 319 W/(m·K)）、低介電常數(shù)、與單晶硅相匹配的熱膨脹系數(shù)及良好的電絕緣性能，具有比傳統(tǒng)的 Al2O3和 BeO 基板材料更優(yōu)的性質(zhì)，因而成為微電子工業(yè)中電路基板封裝的理想材料。

目前，采用 AMB工藝的氮化鋁陶瓷基板（AMB-AlN）主要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導(dǎo)體中。但由于機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，AMB-AlN覆銅基板的高低溫循環(huán)沖擊壽命有限，從而限制了其應(yīng)用范圍。

Si₃N₄陶瓷基板

AMB-SiN陶瓷基板具有較高的熱導(dǎo)率（>90W/mK）、厚銅層（達(dá) 800μm）以及較高熱容量和傳熱性。特別是將較厚的銅層焊接到相對(duì)較薄的AMB-SiN陶瓷上時(shí)，其載流能力更高、傳熱性更好。

此外，AMB-SiN 陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)（2.4ppm/K）與 SiC 芯片（4ppm/K）接近，具有良好的熱匹配性，適用于裸芯片的可靠封裝。

目前，在高可靠性、高散熱以及局部放電等方面有要求的新能源汽車、光伏逆變器、風(fēng)力渦輪機(jī)和高壓直流傳動(dòng)裝置等應(yīng)用場(chǎng)景，AMB-SiN 陶瓷基板是首選的基板材料。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前 600V 以上功率半導(dǎo)體所用的陶瓷基板主要采用 DBC 和 AMB 工藝，其中 AMB 氮化硅基板主要用于電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力車（HV）功率半導(dǎo)體，AMB 氮化鋁基板主要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導(dǎo)體。

AMB工藝“上車”市場(chǎng)增速亮眼

據(jù)QYResearch調(diào)研報(bào)告顯示，2022年全球AMB陶瓷基板市場(chǎng)規(guī)模大約為4.3億美元，預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到28億美元，未來(lái)幾年年復(fù)合增長(zhǎng)率CAGR為26%。

其中，電動(dòng)汽車的快速增長(zhǎng)及SiC加速上車、新能源汽車的快速增長(zhǎng)，是最主要的驅(qū)動(dòng)因素。

AMB基板作為SiC的核心配套材料，目前推廣的難點(diǎn)在于成本較高，將伴隨SiC上車在新能源汽車領(lǐng)域取得突破。

目前，隨著碳化硅器件在電動(dòng)汽車、光伏新能源、軌道交通等行業(yè)的應(yīng)用，碳化硅器件市場(chǎng)需求迅速增長(zhǎng)，全球碳化硅行業(yè)產(chǎn)能呈現(xiàn)供給不足的情況。為保證襯底供給，滿足以電動(dòng)汽車為代表的客戶未來(lái)的增長(zhǎng)需求，各大廠商紛紛開(kāi)始擴(kuò)產(chǎn)。隨著下游市場(chǎng)的超預(yù)期發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈的景氣程度有望持續(xù)向好，SiC 襯底產(chǎn)業(yè)也將直接受益于行業(yè)發(fā)展。

新能源汽車也是該行業(yè)重要的驅(qū)動(dòng)因素之一。全球電動(dòng)汽車持續(xù)快速增長(zhǎng)，2022年全球新能源汽車總銷量突破了1000萬(wàn)輛，同步增長(zhǎng)61%。中國(guó)和歐洲成為推動(dòng)全球電動(dòng)汽車銷量強(qiáng)勁增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿Α?022年，中國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)96.9%和93.4%，新能源汽車產(chǎn)銷量已連續(xù)8年位居全球第一。其中，純電動(dòng)汽車銷量536.5萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)81.6%。2022年，歐洲純電動(dòng)汽車銷量同比上漲29%，至158萬(wàn)輛。