고전력 반도체 장치의 Si3N4-AMB

전력 전자 장치는 축전, 전기 변속기, 전기 자동차, 전기 기관차 및 기타 여러 산업 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 전력 전자 장치 자체의 지속적인 고전력 및 고집적화로 인해 칩은 작업 과정에서 많은 열을 발생시킵니다. 열이 적시에 효율적으로 발산되지 않으면 전력전자장치의 작동 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 심각할 경우 전력전자장치 자체가 손상될 수 있다. 이를 위해서는 절연 및 방열 기능을 갖춘 세라믹 기판이 우수한 기계적 특성과 열전도도를 가져야 합니다. Si3N4-AMB는 질화규소(Si3N4) 세라믹의 높은 열전도율, 열충격 저항성 및 우수한 기계적 특성으로 인해 많은 주목을 받았습니다.

AMB 프로세스를 사용하는 이유

현재 전력 반도체 장치에 사용되는 세라믹 기판은 대부분 DBC(Direct Bonded Copper) 프로세스이며 Al2O3 및 ZTA와 AlN은 DBC 기술과 구리 결합을 사용할 수 있습니다. 표면에 Cu2O 층이 있고 1065~1083℃ 사이의 Cu-Cu2O 액체 액체 습윤 두 재료 접촉 표면을 사용하여 CuAlO2 화합물을 생성하여 세라믹과 구리 결합을 달성합니다.

그러나 Si3N4와 구리 사이에는 Cu-Si-O 화합물이 형성될 수 없으므로 AMB(Active Metal Brazing) 기술을 구리와 결합해야 하며 활성 금속 원소(Ti, Zr, Ta, Nb, V, Hf 등) .)을 사용하여 세라믹 표면의 특성을 촉촉하게 할 수 있으며, 활성 금속 브레이징을 통해 Si3N4 세라믹 판에 구리층을 브레이징할 수 있습니다.

Si3N4-AMB 생산 공정

다양한 브레이징 재료에 따른 AMB 공정은 주로 은동 티타늄 용접 패드 배치와 인쇄된 은동 티타늄 용접 페이스트의 두 가지로 나뉩니다. 나중에 예를 들어 먼저 Ag, Cu, Ti 원소를 분말 형태로 직접 혼합하여 슬러리로 만들고 Ag-Cu-Ti 솔더의 스크린 인쇄 기술을 사용하여 질화 규소 세라믹 기판에 인쇄하고 열 압착 기술을 사용하여 구리 호일을 만듭니다. 최종적으로 소결, 리소그래피, 부식 및 도금을 통해 솔더에 적층된 Ni 공정 준비는 Si3N4 AMB 플레이트의 요구 사항을 충족합니다.

Si3N4-AMB 생산 공정

AMB 공정에서 Ti와 같은 전이 금속은 화학적 활성이 강하고 산화물 세라믹 및 비산화물 세라믹과 반응할 수 있는 Ag 및 Cu와 같은 원소와 합금 솔더를 형성하는 데 사용되어 용융 솔더가 세라믹 표면을 적시게 합니다. 질화규소와 혐기성 구리 사이의 연결을 완성합니다. 활성 원소 Ti와 질화 규소 세라믹의 반응의 주요 생성물은 TiN 및 TiAl 3입니다.

그러나 두 방법 모두 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 우선, 웨이퍼 공정에 사용되는 은-구리 티타늄 전극은 준비 과정에서 활성 원소 Ti의 산화 및 편석이 발생하기 쉬워 수율이 매우 낮고 용접 접합 성능이 좋지 않습니다. 용접 페이스트 공정의 경우 고진공에서 가열하면 다량의 유기물이 휘발되어 브레이징 경계면이 조밀하지 않고 구멍이 많아져 서비스 과정에서 기판이 고압 파손 및 균열이 발생하기 쉽습니다.

AMB 공정으로 질화규소 구리 접합 기판을 제조하는 과정에서 계면 캐비티율을 줄여 Si3N4 세라믹 및 구리 시트의 오일 및 산화를 제거하고 고진공 브레이징 환경을 제공하는 것은 잘 알려진 방법입니다. 용접압력은 캐비티율에 영향을 미치는 가장 중요한 요소이다. 적절한 압력은 모재와 땜납이 긴밀한 접촉을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 접촉 반응의 용융에 도움이 될 뿐만 아니라 용융 땜납의 유동성을 향상시켜 브레이징 경계면에서 가스를 압출하여 감소시킬 수 있습니다. 캐비티율.

또한 진공+질소의 용접 분위기는 진공 분위기보다 용접 캐비티율을 줄이는 데 더 도움이 되며 이는 AMB 공정에도 어느 정도 영감을 주지만 질소는 고온에서 Ti와 반응할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 다른 불활성 가스(헬륨, 아르곤 등)가 AMB 공정에 더 적합할 수 있습니다.

Si3N4-AMB의 특성

• 납땜/전극의 기능으로 인해 AMB 기판은 DCB의 구리 및 세라믹보다 더 잘 결합될 수 있으며 결합 강도는 DBC보다 높고 신뢰성이 더 높습니다.
• Si3N4 세라믹은 알루미나 기판이나 ZTA 기판에 비해 열전도율이 더 높고(상용 제품의 일반적인 값은 80~90W/m.K) 열전도율이 3배 이상 높으며 열팽창 계수(2.4ppm/K)가 작습니다. , 반도체 칩(Si,SiC)에 가깝고 열 매칭이 좋습니다.

AMB 기판의 내열성 비교

• 질화규소는 우수한 기계적 특성(높은 굽힘 강도와 높은 파괴 인성, 산화알루미늄 기재 또는 질화알루미늄 기재, 굽힘 강도의 약 2배)을 갖고 있어 내한간 및 열간 충격 저항이 높으며(높은 신뢰성) 매우 두꺼운 구리가 가능합니다. 상대적으로 얇은 질화규소 세라믹에 용접된 금속(최대 두께 800um). 따라서 전류 운반 능력이 상대적으로 높고 열 전달 특성도 매우 좋습니다.

Si3N4-AMB 기판의 적용

Si3N4-AMB는 높은 열 전도성, 높은 기계적 에너지, 높은 부하 용량 및 낮은 열팽창 계수를 가지고 있습니다. SICMOSFET 파워 모듈, 고전력 IGBT 모듈 등 고온, 고전력 반도체 전자소자에 적합하며 전기차(EV), 하이브리드 차량(HV), 철도, 태양광 등 다양한 분야에 사용된다. 

비용 성능 측면에서 현재 450/600V IGBT 모듈은 다목적 DBC 세라믹 기판을 사용하고, 800V 이상의 전력은 AMB 세라믹 기판을 사용합니다. SiC는 전력 장치의 집적도와 전력 밀도의 명백한 개선으로 인해 해당 작업에서 발생하는 열이 극도로 증가하므로 더 높은 열 성능과 견고성을 달성하기 위해 Si3N4-AMB 기판을 채택하는 것이 새로운 추세가 되었습니다.

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