学习丨适用电力电子解决方案的氮化硅基板

现今的功率模块设计主要基于氧化铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）陶瓷材料。但是，随着对功率模块的性能要求日益提高，越来越多的设计者开始考虑使用先进基板材料作为替代。其中的一个例子是新能源汽车（xEV）的应用，当其芯片温度从150°C上升到200°C时，其开关损耗会降低10%。此外，焊接和无引线模块等新的封装技术使现有基板成为了木桶的短板。

作者：Manfred Goetz，资深产品市场经理，罗杰斯德国

另外一个非常重要的推动因素，是需要增加恶劣环境下的使用寿命。这里我们以风力涡轮机为例。在所有环境条件下，风力涡轮机的预期使用寿命为15年，期间不会发生故障。因此，风力涡轮机的设计者也在试图改进基板技术。改进基板产品的第三大驱动力是对碳化硅部件（SiC）的使用。与传统模块相比，首批使用碳化硅和优化封装技术的模块降低了40%到70%的损耗，但后者需配合使用氮化硅（Si3N4）基板等新型封装方式。上述趋势将限制传统氧化铝和氮化铝基板在未来的使用，而基于氮化硅的基板将成为未来高性能功率模块设计者的不二之选。

杰出的抗弯强度、较高的断裂韧性和优秀的热导率使氮化硅非常适合生产电力电子领域适用的基板产品。陶瓷的特性以及对局部放电或裂纹增长等关键值的详细比较表明，其对基板热导率和热循环表现等表现有重大影响。

氮化硅与其它陶瓷材料的比较

为功率模块选择绝缘材料时，需要考虑的材料特性主要包括热导率、抗弯强度和断裂韧性。高热导率对功率模块的快速散热至关重要。同时，抗弯强度对于陶瓷基板在封装流程中的处理和使用非常重要，而断裂韧性是预测可靠性的关键。

表1

如表1所示，氧化铝（96%）拥有低热导率和低机械值。但是，24 W/mK的热导率足以应对当今的大部分标准工业应用。氮化铝的最大优势是具有极高的热导率（180 W/mK），但其可靠性仅为适中。这是因为氮化铝的断裂韧性较低，而抗弯强度又与氧化铝类似。

鉴于对更高可靠性的需求日益增加，氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷材料应运而生。这类陶瓷材料拥有更高的抗弯强度和断裂韧性，但其热导率与标准氧化铝不相上下。因此，前者在最高功率密度的大功率应用中的使用有限。

一项比较表明，氮化硅完美地融合了高热导性和高机械性能。其热导率可被指定为90 W/mK。此外，在所有进行比较的陶瓷材料中，氮化硅陶瓷材料的断裂韧性最高（6,5-7 [MPa / √m ]）。氮化硅的这些特性预计将使其将成为最可靠的金属化基板。

可靠性

我们采用了被动热循环方法，对多种不同金属化基板进行了可靠性检测。表2中列出了所有基板组合。所有组合均使用了相同设计，包括相同的铜厚度（d(Cu)=0.3 mm）。此外没有使用蚀坑或梯度蚀刻等其它设计特点来提高可靠性。检测条件如下：

• 双腔检测系统
• 导热系数=205 K（-55°C至+150°C）
• 暴露时间：15 min
• 倾斜升温时间<10 s

此外，还通过超声显微镜检查了不同样本，以检测分层和贝壳状破裂：

• 氧化铝、9%氧化锆增韧氧化铝和氮化铝直接键合铜基板：每循环5次后
• 氮化硅活性金属钎焊（AMB）：每循环50次后

表2

贝壳状破裂是温度循环中的一种典型失效模式，且在氧化铝、9%氧化锆增韧氧化铝和氮化铝直接键合铜基板中均有检测到。一般而言，贝壳状破裂出现的原因是铜和陶瓷在温度改变时的热膨胀系数不同。

在35次热循环中，氮化铝直接键合铜基板的可靠性最差。在所有陶瓷材料中，氮化铝直接键合铜基板测得的断裂韧性最低（K1C=3-3,4 [MPa /√m]），这可以解释上述发现。氧化铝直接键合铜基板在55次循环后得到的结果与之非常接近。传统材料中，9%氧化锆掺杂直接键合铜基板的性能最佳，其可靠性是标准氧化铝材料的两倍（110次循环）。

在5000次循环后，氮化硅活性金属钎焊样本仍未检测出失效。与9%氧化锆增韧氧化铝直接键合铜基板相比，其可靠性提高了45倍。取得5000次热循环这一优异成果的原因是氮化硅的高断裂韧性（K1C=6,5-7 [MPa / √m ]），虽然其抗弯强度略低于9%氧化锆掺杂（650 MPa和700 MPa）。

这一系列结果表明，制造金属化基板的陶瓷材料的抗弯强度并不是决定基板使用寿命的关键因素。对于可靠性预测，断裂韧性是最重要的陶瓷材料物理特性。

图1：多次热循环后，9%氧化锆增韧氧化铝直接键合铜基板和氮化硅活性金属钎焊失效机制的主要区别。

图2：5000多次循环后，氮化硅陶瓷材料仍然完好无损。

图1和图2为多次热循环后，9%氧化锆掺杂直接键合铜基板和氮化硅活性金属钎焊失效机制的主要区别的超声图像。在5000多次循环后，在9%氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料中已出现贝壳状破裂，而氮化硅陶瓷材料仍完好无损。

热性能：

以下测量了五组金属化基板样本的热阻系数（Rth）。测量设置如图3所示。

图表1列出了热阻系数测试的结果。所有参与热阻系数分析的样本两侧均使用0.3 mm厚的铜层。不出所料，使用0.63 mm氧化铝的基板的热阻系数最高。这是因为氧化铝的热导率较低（24W/mK）。

图表1：热阻系数测试的结果

0.32 mm9%氧化锆增韧氧化铝直接键合铜基板和0.32 mm氧化铝直接键合铜基板的热阻系数属于同一范围。

即使使用的陶瓷层厚度达到0.63 mm，热导率最高（180 W/mK）的氮化铝直接键合铜基板的热阻系数也还是最低。

氮化硅的热导率是氮化铝的一半（90W/mK），这也解释了为什么陶瓷厚度为一半的氮化硅活性金属钎焊，其热阻系数与氮化硅直接键合铜基板相同（氮化硅为0.32 mm，氮化铝为0.63 mm）。

结论：

高强度的氮化硅绝缘材料能够满足对于功率模块更长使用寿命和更高热力性能日益增长的需求。对氮化硅活性金属钎焊技术和传统9%氧化锆增韧氧化铝直接键合铜基板陶瓷材料的比较调查显示，氮化硅的可靠性是后者的50倍。氮化硅陶瓷材料更优秀的机械特性，特别是极高的断裂韧性（K1），有效地提高了其可靠性。此外，氮化硅更高的抗弯强度使其能被用于更薄的横截面，而其热性能堪比氮化铝。

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