眾所周知，在半導(dǎo)體器件運(yùn)行產(chǎn)生的熱量是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效的關(guān)鍵因素，而電絕緣基板的導(dǎo)熱性是整個(gè)半導(dǎo)體器件散熱的關(guān)鍵。此外，由于顛簸、振動(dòng)等復(fù)雜的機(jī)械環(huán)境，也要求具有一定機(jī)械可靠性的陶瓷基板材料。氮化硅陶瓷基板各方面比較均衡，也是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷基板材料。所以，氮化硅陶瓷基板在電力電子器件陶瓷基板制造領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競爭力。

然而，本文主要討論了氮化硅基板與其材料之間的比較，并提供了氮化硅陶瓷基板的見解。

當(dāng)今的功率模塊設(shè)計(jì)主要基于氧化鋁（AI2O3）或氮化鋁陶瓷，但不斷提高的性能要求正促使設(shè)計(jì)人員考慮采用先進(jìn)的陶瓷基板替代方案。在XEV應(yīng)用中可以看到一個(gè)示例，其中芯片溫度從150℃升高到200℃可將開關(guān)損耗降低10%。此外，焊料和免焊線模塊等新封裝技術(shù)正在使當(dāng)前的陶瓷基板成為薄弱環(huán)節(jié)。

另一個(gè)特別重要驅(qū)動(dòng)因素是需要在惡劣條件下（例如風(fēng)力渦輪機(jī)）延長使用壽命。風(fēng)力渦輪機(jī)的預(yù)期壽命為15年，在所有環(huán)境條件下都不會(huì)出現(xiàn)故障，因此該應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員也需要尋找改進(jìn)的基板技術(shù)。

改進(jìn)襯底選擇的第三個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是碳化硅組件的新興使用，與傳統(tǒng)模塊相比，使用碳化硅和優(yōu)化封裝的首批模塊顯示損耗降低了40%至70%，但也提出了對(duì)新封裝方法的需求，包括氮化硅襯底。所有這些趨勢都將限制傳統(tǒng)氧化鋁和氮化硅基板的未來作用，而基于氮化硅的基板將成為未來高性能功率模塊設(shè)計(jì)人員的選擇。

在優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度、高斷裂韌性和良好的導(dǎo)熱性使氮化硅非常適用于電力電子基板，陶瓷的特性以及對(duì)局部放電或裂紋擴(kuò)展等關(guān)鍵值的詳細(xì)比較顯示出對(duì)最終基板行為（如導(dǎo)熱性和熱循環(huán)行為）的顯著影響。

一、氮化硅陶瓷基板與其他陶瓷的比較：

功率模塊絕緣材料選擇的主要性能是導(dǎo)熱性、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。高導(dǎo)熱性對(duì)于功率模塊中的快速散熱至關(guān)重要。彎曲強(qiáng)度對(duì)于陶瓷基板在封裝過程中的處理和可用性很重要，而斷裂韌性是預(yù)測可靠性的關(guān)鍵。

如表1所示，氧化鋁顯示出低熱導(dǎo)率和低機(jī)械值。然而，24W/mk的熱導(dǎo)率足以滿足當(dāng)今許多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)應(yīng)用的需求。氮化鋁的最大優(yōu)勢是180W/mk的非常高的熱導(dǎo)率，盡管只有中等的可靠性。這是由于斷裂韌性低且彎曲強(qiáng)度與氧化鋁相似的結(jié)果。

對(duì)更高可靠性的日益增長的需求刺激了最近氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的發(fā)展。這些陶瓷顯示出顯著更高的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。不幸的是，氧化鋯陶瓷的熱導(dǎo)率與標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁處于同一范圍內(nèi)，因此在具有最高功率密度的高功率應(yīng)用中用途有限。比較表明，氮化硅結(jié)合了高導(dǎo)熱性和高機(jī)械性能。熱導(dǎo)率可以指定為90W/mk，并且在比較陶瓷中具有最高的斷裂韌性（6.5– 7 [MPa / ]）。這些特性導(dǎo)致人們期望氮化硅作為金屬化基板表現(xiàn)出最高的可靠性。

二、金屬化基板的可靠性：

使用被動(dòng)熱循環(huán)方法測試了幾種不同的金屬化基板的可靠性，所有基板組合如表2所示。對(duì)于每種組合，使用相同的布局，包括相同的銅厚鍍d(Cu)=0.3mm。沒有額外的設(shè)計(jì)特征，如凹坑或階梯蝕刻來提高可靠性。測試條件定義如下：

?2室測試系統(tǒng)

?dT = 205 K（-55°C 至 +150°C）

?曝光時(shí)間 15 分鐘

?加速時(shí)間 < 10 s

通過超聲波顯微鏡檢查不同的試樣以檢測分層和貝殼狀斷裂：

?對(duì)于 Al2O3、HPS9% (ZTA) 和 AlN DBC，每 5個(gè)循環(huán)后

?Si3N4 AMB（活性金屬釬焊）每50個(gè)循環(huán)后

貝殼狀斷裂是溫度循環(huán)中的典型失效模式，在Al2O3、HPS9% 和 AlN -DBC 基板上檢測到。一般來說，這種擊穿的出現(xiàn)是由于溫度變化時(shí)銅和陶瓷的熱膨脹值不同。

對(duì)于 35 次循環(huán)的 AlN DBC 基板，觀察到熱循環(huán)的最低可靠性。這一結(jié)果可以用陶瓷的最低測量斷裂韌性 (K1C = 3 - 3,4 [MPa / ]) 來解釋。非常接近這個(gè)結(jié)果的是 55 次循環(huán)的 Al2O3 DBC。HPS9% DBC 證明了傳統(tǒng)材料的最佳性能，其可靠性（110 次循環(huán)）是標(biāo)準(zhǔn) Al2O3 的兩倍。

在 5000 次循環(huán)中未檢測到 Si3N4 AMB 樣品的故障。與 HPS9% DBC 相比，可靠性可提高 45 倍。由于 Si3N4 (K1C = 6,5 - 7 [MPa / ]) 的高斷裂韌性，即使彎曲強(qiáng)度略低于 HPS9%（650 MPa 對(duì) 700 MPa），仍實(shí)現(xiàn)了 5000 次熱循環(huán)的出色結(jié)果。

這些結(jié)果突出表明，用于構(gòu)建金屬化基板的陶瓷的彎曲強(qiáng)度并不是基板壽命的關(guān)鍵。對(duì)預(yù)測可靠性最重要的陶瓷物理特性似乎是斷裂韌性。

圖 1和圖2顯示了幾個(gè)熱循環(huán)后 HPS9% DBC 基板和 Si3N4 AMB 失效機(jī)制的主要差異的超聲波照片。雖然我們可以檢測到脆性 HPS9% 陶瓷材料內(nèi)部的貝殼狀斷裂，但經(jīng)過 5000 多次循環(huán)后，氮化硅陶瓷材料仍然完好無損。

三、氮化硅陶瓷基板的熱性能：

測量了五組不同的金屬化基板樣品的熱阻率 (Rth)。

如圖顯示了我們的熱電阻率測試結(jié)果。用于該 Rth 分析的所有樣品均在兩面鍍有 0.3 mm 銅層。正如預(yù)期的那樣，使用 0.63 mm Al2O3 的基板顯示出最高的 Rth。這是由于 Al2O3 的低熱導(dǎo)率 (24W/mK) 造成的。

0.32 mm HPS 9% DBC 和 0.32 mm Al2O3 DBC 的 Rth 在同一范圍內(nèi)。盡管使用了 0.63 mm 厚的陶瓷層，但具有 180 W/mK 最高熱導(dǎo)率的 AlN DBC 具有最低Rth。Si3N4 的熱導(dǎo)率 (90W/mK) 是 AlN 的一半，這解釋了為什么 Si3N4 AMB 通過使用一半的陶瓷厚度（Si3N4 為 0.32 mm，AlN 為 0.63 mm）顯示出與 AlN DBC 相似的 Rth。

四、功率模塊的更長生命周期：

使用高強(qiáng)度氮化硅絕緣材料可以實(shí)現(xiàn)功率模塊對(duì)更長壽命周期和更高熱性能的日益增長的需求。

調(diào)查表明，與傳統(tǒng)的 HPS9% DBC 陶瓷材料相比，使用 Si3N4 AMB（活性金屬釬焊）技術(shù)的 氮化硅陶瓷基板的可靠性提高了 50 倍。氮化硅陶瓷較高的機(jī)械性能，尤其是其非常高的斷裂韌性 (K1C) 有助于提高其可靠性。此外，Si3N4 更高的強(qiáng)度使其能夠以更薄的橫截面使用，從而使其具有與 AlN 相當(dāng)?shù)臒嵝阅堋?/span>