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        【原創(chuàng)】富樂(lè)華,羅杰斯,東芝:從專利看AMB陶瓷基板發(fā)展現(xiàn)狀


        來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   空青

        [導(dǎo)讀]  從專利看AMB陶瓷基板發(fā)展現(xiàn)狀:富樂(lè)華,羅杰斯,東芝……

        中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近年來(lái),小米、比亞迪、華為等企業(yè)的動(dòng)作從布局新能源汽車開(kāi)始深入到AMB陶瓷基板上車的技術(shù)路線,隨著SiC模塊封裝環(huán)節(jié)率先放量,AMB也進(jìn)入需求爆發(fā)期。


        AMB陶瓷覆銅板  來(lái)源:先藝電子


        根據(jù)QY Research最新調(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)率為26%。


        全球AMB陶瓷基板市場(chǎng)總體規(guī)模(百萬(wàn)美元)&(2018-2029)

        來(lái)源:QY Research


        在陶瓷覆銅工藝中,AMB工藝為利用含少量活性元素的活性金屬焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片的焊接,相較于DPC、DBC工藝,AMB陶瓷基板結(jié)合強(qiáng)度更高且更耐高溫,隨著高鐵、新能源汽車、光伏等領(lǐng)域?qū)τ陔妷旱燃?jí)的要求逐步提升,認(rèn)為未來(lái)AMB基板將逐漸成為主流,目前AMB工藝呈現(xiàn)較大增長(zhǎng)趨勢(shì),也是各國(guó)研究熱點(diǎn)。


        AMB工藝進(jìn)入高速發(fā)展期


        從專利申請(qǐng)可以看出,AMB工藝發(fā)展趨勢(shì)可分為三個(gè)階段:萌芽期、第一發(fā)展階段和第二發(fā)展階段。


        第一階段萌芽期:1970~1980年,申請(qǐng)量較少。

        第二階段第一發(fā)展期:1981~2004年,AMB工藝全球申請(qǐng)大幅增加,1991年達(dá)到第一個(gè)頂峰。因?yàn)榈X、氮化硅、碳化硅陶瓷基板的大量開(kāi)發(fā)推動(dòng)與之更適配的AMB覆銅工藝快速發(fā)展。

        第三階段第二發(fā)展期:2005年至今。隨著電動(dòng)車、電力機(jī)車以及半導(dǎo)體照明、航空航天、衛(wèi)星通信的高速發(fā)展階段對(duì)半導(dǎo)體芯片的載體提出更高的要求,促進(jìn)性能更優(yōu)的AMB工藝再次進(jìn)入高速發(fā)展期。


        陶瓷基板AMB覆銅工藝全球申請(qǐng)趨勢(shì)


        各廠商“亮”技


        從生產(chǎn)商來(lái)說(shuō),全球范圍內(nèi),AMB陶瓷基板核心廠商主要包括羅杰斯、電化Denka、富樂(lè)華、比亞迪、Kyocera、東芝材料和賀利氏電子等等。


        東芝


        東芝AMB工藝技術(shù)發(fā)展路線圖


        在焊料方面,主要是在Ag-Cu-Ti基礎(chǔ)焊料組成基礎(chǔ)上添加Sn、In降低熔點(diǎn),添加碳調(diào)節(jié)焊料流動(dòng)性和接合層硬度、熱膨脹系數(shù),添加第Ⅷ族過(guò)渡金屬如Co、Pd等,抑制了妨礙潤(rùn)濕性(接合性)的反應(yīng)生成物的過(guò)剩生成,添加Ti的化合物如氫化物、氧化物、氮化物等調(diào)節(jié)焊料性能,不加銀使得接合層生成多種配比的Cu-Sn合金及Cu-In合金緩解熱應(yīng)力。


        在基板方面,2010年提出在氮化鋁晶粒的晶界處包含小尺寸稀土元素和鋁的復(fù)合氧化物晶粒并限定晶粒尺寸,獲得導(dǎo)熱系數(shù)為160~190W/(m·K)的氮化鋁基板,即使不進(jìn)行研磨,也能夠獲得超過(guò)500MPa的抗彎強(qiáng)度并提供具有優(yōu)異的接合強(qiáng)度(24kN/m)的電路基板。2012年提出在氧化鋁中加入低于0.5wt% 的鈉、硅、鐵的無(wú)機(jī)氧化物作為燒結(jié)助劑,使燒結(jié)性提高、燒結(jié)時(shí)間縮短從而大幅度降低成本,另外還能提高接合強(qiáng)度。


        在銅板方面,提出了限定銅板表面和內(nèi)部晶粒尺寸以及銅板、陶瓷板的厚度比,通過(guò)控制銅板表面晶粒尺寸獲得了良好的潤(rùn)濕性、結(jié)合強(qiáng)度、耐冷熱循環(huán)性能(TCT)、對(duì)位精度和可靠性,通過(guò)控制內(nèi)部晶粒尺寸能夠使銅電路更精細(xì)化,TCT、結(jié)合強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度提高。


        在結(jié)構(gòu)方面,其對(duì)接合層端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究,在2010年提出控制接合層突出部和非突出部中相分布差異實(shí)現(xiàn)減少熱膨脹差、緩和應(yīng)力、減少結(jié)合缺陷、提高TCT的目標(biāo);隨后提出進(jìn)一步控制接合層突出部露出量、攀上量和金屬板界面內(nèi)角提升對(duì)位精度,緩和應(yīng)力,提高TCT;還對(duì)接合層顆粒、Ti元素分布進(jìn)行控制,改善潤(rùn)濕、提高結(jié)合強(qiáng)度。其他方面,其通過(guò)使金屬被膜覆蓋金屬板的側(cè)面和接合突出部提高散熱、TCT性能;通過(guò)控制表、背面金屬層厚度關(guān)系抑制基板翹曲。


        在工藝方面,其采用連續(xù)爐控制升溫、冷卻速度和氣氛,提高了產(chǎn)能和結(jié)合質(zhì)量。


        羅杰斯


        羅杰斯是全球高頻覆銅板龍頭供應(yīng)商,對(duì)于陶瓷基片結(jié)合面的結(jié)構(gòu)是羅杰斯最早專注的改進(jìn)對(duì)象。


        羅杰斯公司AMB工藝的專利技術(shù)路線


        在焊料方面,羅杰斯在2016年提出通過(guò)軋制將活性金屬焊料包覆在金屬層上,將焊劑層的厚度減小到小于12μm,尤其減小到小于7μm,極大提高了復(fù)合材料承受機(jī)械負(fù)荷以及熱負(fù)荷的能力并且成本便宜,此外該方法能夠整面地覆蓋焊劑帶。2018年,提出無(wú)銀焊料,實(shí)現(xiàn)降低成本并且避免銀遷移。


        在工藝方面,羅杰斯采用AMB工藝替代DBC工藝進(jìn)行上表面金屬層鍵合從而簡(jiǎn)化后續(xù)刻蝕減薄、通過(guò)在銅板上設(shè)置凹部使之與陶瓷基片選擇性結(jié)合,然后在未結(jié)合部位斷裂基片從而高效地實(shí)現(xiàn)具有側(cè)向凸出于陶瓷層的金屬層的基板、通過(guò)借助于熱等靜壓將金屬子層連結(jié)到陶瓷元件上構(gòu)成金屬陶瓷基板,將金屬成功地、盡可能無(wú)氣孔地、節(jié)省能量且工藝安全地連結(jié)到陶瓷上,即從結(jié)合工藝優(yōu)化、制備流程優(yōu)化到加壓容器優(yōu)化方面實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的改進(jìn)。


        在基板方面,在2013年提出了通過(guò)優(yōu)化氧化鋁基板組成和晶粒尺寸改進(jìn)熱導(dǎo)率,陶瓷層具有大于25W/mK的熱導(dǎo)率,因此可根據(jù)應(yīng)用情況將金屬化層的層厚度減小至0.05mm;并通過(guò)增加二氧化鋯的四角形晶體結(jié)構(gòu)和從陶瓷中析出玻璃相帶來(lái)熱導(dǎo)性的改進(jìn)。


        在銅板方面,2018年其提出將兩層具有不同晶粒尺寸的銅層層疊起來(lái)作為銅層可以有效減少熱應(yīng)力,提高覆銅基板的耐冷熱循環(huán)性能。


        富樂(lè)華


        富樂(lè)華半導(dǎo)體由上海申和投資有限公司控股(上海申和投資有限公司是日本磁性流體技術(shù)控股有限公司Ferrotec的全資子公司),專業(yè)從事半導(dǎo)體功率模塊覆銅陶瓷基板(AMB、DCB 和 DPC)研發(fā)、制造、銷售。富樂(lè)華最早期的專利是通過(guò)轉(zhuǎn)讓獲得的其控股公司在華相關(guān)有效專利。



        通過(guò)不斷改進(jìn),2022年富樂(lè)華提出了在陶瓷基板表面制備鋁金屬化層并通過(guò)陽(yáng)極氧化獲得氧化層,然后再進(jìn)行后續(xù)AMB工藝的方法,獲得了CuAl陽(yáng)極氧化層-陶瓷-Al陽(yáng)極氧化層的結(jié)構(gòu),在傳統(tǒng)的覆銅陶瓷基板基礎(chǔ)上引入高強(qiáng)度鍵合的絕緣鋁陽(yáng)極氧化層,提高了產(chǎn)品的高壓絕緣可靠性。


        在焊料方面,AMB焊料中Ag-Cu-Ti基為主流,其中Ti,Zr,Hf,V,Nb和Ta形成與陶瓷基板的良好潤(rùn)濕、反應(yīng)性,提供結(jié)合強(qiáng)度的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)


        此外,隨著性能發(fā)展達(dá)到一定高點(diǎn)開(kāi)始尋求低成本焊料,發(fā)展出降低稀有金屬,Cu-7P-15Sn-10Ni(熔點(diǎn)580℃),Sn-Cu(230℃)和Sn-0.7Cu-P-0.03Ni(220℃)基無(wú)銀釬料,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多類型粉末混合、粒徑分布設(shè)計(jì)和焊料多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好結(jié)合強(qiáng)度、耐熱循環(huán)性能。


        小結(jié)


        從國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人專利申請(qǐng)量排名看,日本在陶瓷基板AMB覆銅工藝研究方面實(shí)力強(qiáng)勁,且體現(xiàn)了高度的技術(shù)集中,具有多家頭部企業(yè)。國(guó)內(nèi)起步較晚,目前呈現(xiàn)出小而散的局勢(shì),但處于快速的追趕階段,在市場(chǎng)和政策的多重驅(qū)動(dòng)下,通過(guò)專利讓、收購(gòu)、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勁頭,進(jìn)一步加大投入增強(qiáng)創(chuàng)新勢(shì)在必行。


        AMB覆銅陶瓷基板關(guān)注的核心問(wèn)題是結(jié)合強(qiáng)度和耐冷熱循環(huán)性能,焊料成分、配比、接合溫度、時(shí)間、預(yù)處理工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等影響界面潤(rùn)濕(空洞)、反應(yīng)(脆性金屬間化合物、反應(yīng)層結(jié)構(gòu))和殘余應(yīng)力(端面形狀、元素分布、熱膨脹系數(shù)匹配),進(jìn)而決定最終界面結(jié)合強(qiáng)度、耐熱循環(huán)(TCT)、導(dǎo)熱/散熱性能等。整體上看,國(guó)外專利尤其是日本專利技術(shù)細(xì)節(jié)介紹比較詳細(xì)。國(guó)內(nèi)在核心的焊料、工藝參數(shù)方面研究較為薄弱,未來(lái)還需要進(jìn)一步圍繞焊料等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破。


        來(lái)源:

        崔皎潔等:陶瓷基板AMB覆銅技術(shù)專利現(xiàn)狀

        QY Research 


        (中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青)

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        作者:空青

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