0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

氮化硅AMB基板是新能源汽车SiC功率模块的首选工艺

向欣电子 2022-11-25 18:14 次阅读

碳化硅(SiC)作为宽禁带半导体材料,相对于Si基器件具备降低电能转换过程中的能量损耗、更容易小型化、更耐高温高压的优势。如今,SiC“上车”已成为新能源汽车产业难以绕开的话题,而这要归功于搭载意法半导体碳化硅器件的特斯拉Model 3的问世,使诸多半导体企业在碳化硅上“卷”了起来。

AMB受益于车用SiC放量进入爆发期

2.1. 汽车电动化平台高压化提升SiC MOS需求

汽车电动平台高压化有助于提升续航里程+快充。续航里程和充电时间长是目前电动车的首要痛点,提高电压能在同样的电阻下减少电耗损失,提升效率,增加续航里程。同时,800V高压平台可搭配350kW超级充电桩,提升充电速度,缩短充电时长。此外在充电功率相同的情况下,800V高压快充架构下的高压线束直径更小,相应成本更低,电池散热的更少,热管理难度相对降低,整体电池成本更优。

SiC在高压+长续航平台有先天性能优势。第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等特点,在高频、高压、高温等工作场景中,有易散热、小体积、低能耗、 高功率等明显优势。相较于硅基器件,SiC器件具有优越的电气性能,如耐高压、耐高温和低损耗。

1dfc8d00-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.png1e0d9ac8-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.png

新能源汽车持续渗透+汽车平台高压化带动SiC 器件市场将高速增长。根据Yole数据,2021-2027年,全球 SiC 功率器件市场规模将由10.9亿美元增长到62.97亿美元,CAGR为34%;其中车用SiC市场规模将由6.85亿美元增长到49.86亿美元,CAGR 为39.2%,车(逆变器+OBC+DC/DC转换器)是SiC最大的下游应用,占比由62.8%增长到79.2%,市场份额持续提升。

1e2318d0-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.png

2.2. 主流新能源车企加速导入SiC电动化平台

主流新能源车企加速导入高压SiC平台。2021-2022年,现代IONIQ5、奥迪e-tron GT、保时捷Taycan等国外车型,以及长城沙龙机甲龙、北汽极狐阿尔法S华为HI版、极氪001等国内车型已率先应用800V高压平台+SiC功率模块。2023年以后,更多基于800V架构的新能源汽车将进入量产阶段。根据英飞凌预计,到2025年汽车电子功率器件领域采用SiC技术的占比将会超过20%。

1e37002a-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.png

2.3. AMB陶瓷基板需求受益于SiC MOS放量进入加速成长期

陶瓷衬板又称陶瓷电路板,是在陶瓷基片上通过覆铜技术形成的基板;再通过激光钻孔、图形刻蚀等工艺制作成陶瓷电路板。陶瓷基板按照工艺主要分为DBC、AMB、DPC、HTCC、LTCC等基板,按照基板材料划分主要为氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)和氮化硅(Si3N4),其中氧化铝陶瓷基板最常用,主要采用DBC工艺;氮化铝陶瓷基板导热率较高,主要采用DBC和AMB工艺;氮化硅可靠性优秀,主要采用AMB工艺。

SiC在新能源汽车上的应用优势:


提升加速度

新能源汽车的加速性能与动力系统输出的最大功率和最大扭矩密切相关,SiC技术允许驱动电机在低转速时承受更大输入功率,且不怕电流过大导致的热效应和功率损耗,这就意味着车辆起步时,驱动电机可以输出更大扭矩,强化加速能力。

增加续航里程

SiC器件通过导通/开关两个维度降低损耗,从而实现增加电动车续航里程的目的。

汽车轻量化

SiC材料载流子迁移率高,能提供较高的电流密度,相同功率等级下封装尺寸更小。SiC能够实现高频开关,减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用,从而减少系统体系和重量;SiC禁带宽度宽且具有良好的热导率,可以使器件工作于较高的环境温度中,从而减少散热器体积;SiC可以降低开关与导通损耗,使系统效率提升,同样续航范围内,可以减少电池容量,有助于车辆轻量化。2022年800V高压平台成为解决快充痛点的主流方案,碳化硅模块上车的进程大幅超过市场预期,AMB陶瓷基板优异导热和抗弯性能已经成为SiC芯片最佳封装材料。

1e4f25f6-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.png

此外,随着汽车电动化快速进入到2.0快充阶段,高压快充系统成为车企不约而同的选择。目前,越来越多车企陆续发布了搭载800V高电压平台的车型。电压平台的升高,将意味着核心三电系统以及空调压缩机、DCDC、OBC等部件以及充电桩都要能在800V甚至1000V的电压下正常工作。而SiC具有高耐压特性,在1200V的耐压下阻抗远低于Si,对应的导通损耗会相应降低,同时由于SiC可以在1200V耐压下选择MOSFET封装,可以大幅降低开关损耗,因此受到多家车企的青睐。

Si3N4-AMB基板是SiC器件封装基板的首选

以往被广泛使用的直接覆铜(DBC)陶瓷基板是通过共晶键合法制备而成,铜和陶瓷之间没有粘结材料,在高温服役过程中,往往会因为铜和陶瓷(Al2O3或AlN)之间的热膨胀系数不同而产生较大的热应力,从而导致铜层从陶瓷表面剥离,因此传统的DBC陶瓷基板已经难以满足高温、大功率、高散热、高可靠性的封装要求。

1f038a1e-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.jpg

Si3N4-AMB覆铜基板则是利用活性金属元素(Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等)可以润湿陶瓷表面的特性,将铜层通过活性金属钎料钎焊在Si3N4陶瓷板上。通过活性金属钎焊(AMB)工艺形成的铜/陶瓷界面粘结强度更高,且Si3N4陶瓷相比Al2O3和AlN同时兼顾了优异的机械性能和良好的导热性,因此Si3N4-AMB覆铜基板在高温下的服役可靠性更强,是SiC器件封装基板的首选。

1f2018e6-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.jpg三种陶瓷基板材料性能对比(来源:张伟儒,《第3代半导体碳化硅功率器件用高导热氮化硅陶瓷基板最新进展》

Si3N4-AMB基板制备流程

AMB工艺根据钎焊料不同,目前主要分为放置银铜钛焊片和印刷银铜钛焊膏两种。

以后者为例,工艺流程如下图所示。首先将Ag、Cu、Ti元素直接以粉末形式混合制成浆料,采用丝网印刷技术将Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上,再利用热压技术将铜箔层压在焊料上,最后通过烧结、光刻、腐蚀及镀Ni工艺制备出符合要求的氮化硅AMB覆铜板。

1f4c51ea-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.jpg氮化硅AMB覆铜板制备工艺流程图

在AMB工艺中,利用Ti等过渡金属与Ag、Cu等元素形成合金焊料,具有很强的化学活性,能够与氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等发生反应,促使熔融焊料润湿陶瓷表面,完成氮化硅与无氧铜的连接。活性元素Ti与氮化硅陶瓷反应的主要产物是TiN和TiAl3。

但这两种方法都存在一定局限。首先,焊片工艺所用的银铜钛焊片在制备过程中容易出现活性元素Ti的氧化、偏析问题,导致成材率极低,焊接接头性能较差。对于焊膏工艺,在高真空中加热时有大量有机物挥发,导致钎焊界面不致密,出现较多空洞,使得基板在服役过程中易出现高压击穿、诱发裂纹的问题。此外,释放的有机挥发物会污染真空腔体和泵组管道,影响分子泵的使用寿命。

据此,李伸虎等创新地提出了银铜钛焊膏的预脱脂钎焊工艺,可以在保护高真空设备的同时,显著降低Si3N4陶瓷-铜的界面空洞率。

1f5a7770-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.jpg

此外,AMB工艺还还存在一些短板,其技术实现难度要比DBC、DPC两种工艺大很多,对技术要求高,且在良率、材料等方面还有待进一步完善,这使得该技术目前的实现成本还比较高。

AMB(Active Metal Brazing)

1f6b7d2c-6ca7-11ed-b116-dac502259ad0.jpg

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 新能源汽车
    +关注

    关注

    141

    文章

    10339

    浏览量

    99132
  • AMB
    AMB
    +关注

    关注

    0

    文章

    21

    浏览量

    5985
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    化硅SiC) 与氮化镓 (GaN)应用 | 氮化硼高导热绝缘片

    SiC和GaN被称为“宽带隙半导体”(WBG)。由于使用的生产工艺,WBG设备显示出以下优点:1.宽带隙半导体氮化镓(GaN)和碳化硅SiC
    的头像 发表于 09-16 08:02 387次阅读
    碳<b class='flag-5'>化硅</b> (<b class='flag-5'>SiC</b>) 与<b class='flag-5'>氮化</b>镓 (GaN)应用  | <b class='flag-5'>氮化</b>硼高导热绝缘片

    SiC技术引领中国新能源乘用车功率器件国产化新篇章

    近年来,中国新能源乘用车产业在政策和市场的双重驱动下,取得了显著进展,尤其是在功率模块国产化方面,更是迈出了坚实步伐。其中,SiC(碳化硅)
    的头像 发表于 08-02 11:01 200次阅读
    <b class='flag-5'>SiC</b>技术引领中国<b class='flag-5'>新能源</b>乘用车<b class='flag-5'>功率</b>器件国产化新篇章

    意法半导体与吉利汽车签署SiC长期供应协议,共推新能源汽车创新

    近日,全球半导体行业的领军企业意法半导体(简称ST)与国内汽车新能源汽车制造巨头吉利汽车集团宣布签署了一项重要协议,双方将在碳化硅
    的头像 发表于 06-07 18:12 2325次阅读

    吉利汽车与ST签署碳化硅SiC)器件长期供应协议

    服务多重电子应用领域、全球排名前列的半导体公司意法半导体(简称ST)与全球汽车新能源汽车龙头制造商吉利汽车集团宣布,双方签署碳化硅
    的头像 发表于 06-04 14:36 794次阅读

    化硅模块SiC模块/MODULE)大电流下的驱动器研究

    由于碳化硅SiC)MOSFET具有高频、低损耗、高耐温特性,在提升新能源汽车逆变器效率和功率密度方面具有巨大优势。对于
    发表于 05-14 09:57

    翠展微新能源汽车功率模块的关键技术突破与可靠性验证

    随着新能源汽车的快速发展,功率模块作为新能源汽车的能量转换的装置,其重要性不言而喻。由于
    的头像 发表于 04-12 16:18 1260次阅读
    翠展微<b class='flag-5'>新能源</b><b class='flag-5'>汽车</b><b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>模块</b>的关键技术突破与可靠性验证

    新能源汽车功率模块的“散热神器”——AMB基板

    新能源汽车以其零排放、低噪音、高效率等优点,正逐渐成为传统燃油汽车的有力替代品。功率模块新能源
    的头像 发表于 03-19 09:56 1423次阅读
    <b class='flag-5'>新能源</b><b class='flag-5'>汽车</b><b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>模块</b>的“散热神器”——<b class='flag-5'>AMB</b><b class='flag-5'>基板</b>

    【换道赛车:新能源汽车的中国道路 | 阅读体验】新能源汽车值得买吗?未来又会如何发展

    新能源汽车开年的第一个重磅消息,就是比亚迪打出“电比油低”的营销口号,开始了声势浩大的全线降价。一声枪响,消费者纷纷摩拳擦掌,跃跃欲试,但观望者仍不在少数。笔者身边就有很多朋友,依然对电车的安全性
    发表于 03-08 17:33

    新能源汽车性能提升的催化剂:碳化硅技术

    新能源汽车的多个性能指标中,电力电子系统尤为关键,它决定了电能的有效管理和利用。而在电力电子系统的核心部件中,碳化硅SiC功率
    的头像 发表于 03-08 16:47 1299次阅读
    <b class='flag-5'>新能源</b><b class='flag-5'>汽车</b>性能提升的催化剂:碳<b class='flag-5'>化硅</b>技术

    化硅SiC功率器件在新能源汽车中的深入应用解析

    采用多芯片并联的SiC功率模块,会产生较严重的电磁干扰和额外损耗,无法发挥SiC器件的优良性能;SiC
    发表于 03-04 10:35 1630次阅读
    碳<b class='flag-5'>化硅</b>(<b class='flag-5'>SiC</b>)<b class='flag-5'>功率</b>器件在<b class='flag-5'>新能源</b><b class='flag-5'>汽车</b>中的深入应用解析

    新能源车的福音:双面烧结银技术替代焊线技术,提升碳化硅模块功率

    新能源车的福音:双面烧结银技术替代焊线技术,提升碳化硅模块功率
    的头像 发表于 01-24 19:51 441次阅读

    SiC功率器件崛起,新能源汽车迎来性能革命!

    IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和碳化硅SiC功率器件是两种主流的解决方案,它们在新能源汽车中有着各自独特的应用特点。
    的头像 发表于 01-15 09:51 875次阅读
    <b class='flag-5'>SiC</b><b class='flag-5'>功率</b>器件崛起,<b class='flag-5'>新能源</b><b class='flag-5'>汽车</b>迎来性能革命!

    氮化硅为什么能够在芯片中扮演重要的地位?

    在芯片制造中,有一种材料扮演着至关重要的角色,那就是氮化硅(SiNx)。
    的头像 发表于 12-20 18:16 2119次阅读
    <b class='flag-5'>氮化硅</b>为什么能够在芯片中扮演重要的地位?

    京瓷利用SN氮化硅材料研发高性能FTIR光源

    京瓷株式会社(以下简称京瓷)成功研发用于FTIR※的氮化硅(Silicon Nitride,以下简称SN)高性能光源。
    的头像 发表于 12-15 09:18 517次阅读
    京瓷利用SN<b class='flag-5'>氮化硅</b>材料研发高性能FTIR光源

    国科光芯实现传输损耗-0.1dB/cm(1550 nm波长)级别氮化硅硅光芯片的量产

    )级别氮化硅硅光芯片的量产,工艺良率超95%。   相对于传统硅光技术,氮化硅材料具有损耗低、光谱范围大、可承载光功率大等突出优点。此外,氮化硅
    的头像 发表于 11-17 09:04 1593次阅读