摘要：氮化硅陶瓷覆铜基板优异的高可靠性使其成为高铁、电动汽车等领域功率模块最有前途的衬底材料之一。目前，只有日本制造商具有批量生产能力，而且很难在国内进口，这阻碍了相关产业的发展。通过气压烧结制备了高性能氮化硅陶瓷基板，通过活性金属钎焊工艺获得氮化硅陶瓷覆铜基板。氮化硅陶瓷的弯曲强度为800 MPa，断裂韧性为8 0 mPa·m ½，导热系数为90 w/（m · K），交流击穿强度为40 kV/mm，体积电阻率为3七×1014 ω·cm；氮化硅陶瓷覆铜基板的剥离强度达到130 n/cm。在-45~150℃的高温和低温循环冲击下，氮化硅陶瓷覆铜基板的冲击时间分别是氮化铝和氧化铝覆铜基板的10倍和100倍；在铜厚度为0 32 mm/0. 25mm的冲击时间可达5000倍，铜厚度为0.5 mm 5 mm/0。当 5 mm 的冲击时间达到 1000 次时，样品完好无损；铜厚度为 0 8 mm/0。当8毫米的冲击时间达到500次时，样品仍然没有产生微裂纹和其他缺陷，这与0.5 mm 32 mm/0的铜厚度不同。氮化铝覆铜基板的循环时间在25 mm处相同；氮化硅陶瓷覆铜基板的可靠性明显优于现有产品。 关键词：氮化硅陶瓷；覆铜基板；活性金属钎焊；可靠性；功率器件 0 简介 为了解决日益严重的环境问题，电力作为一种清洁能源已成为全世界关注的焦点，能源利用的电气化已成为发展方向。在电力应用中，大功率电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT）是实现能量控制和转换的核心。它们广泛应用于高速铁路、智能电网、电动汽车和新能源设备领域
[1-2]。随着能量密度的增加，功率器件对陶瓷覆铜基板的散热能力和可靠性有越来越高的要求。目前，功率器件陶瓷覆铜基板的材料主要包括氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4）[3-4]。Al2O3 覆铜基板主要由直接键合铜 (DBC) [5-6] 制备。它具有低导热系数和有限的散热能力。它主要用于功率密度低且对可靠性没有严格要求的领域。AlN 覆铜基板主要采用活性金属钎焊 (AMB) 工艺，可靠性更高。由于氮化铝AMB覆铜基板（AlN AMB Cu）具有很高的散热能力，因此适用于一些高功率和高电流的工作环境。但是，由于机械强度相对较低，AlN AMB Cu的高低温循环冲击寿命受到限制，其应用范围有限。另一方面，随着第三代功率芯片（如SiC和GaN）[7-8]制备技术的成熟，更高的功率密度和更高的工作环境温度导致Al2O3和AlN覆铜基板的高低温循环冲击时间和可靠性迅速下降，无法满足使用要求。氮化硅AMB覆铜基板（Si3N4-AMB Cu）由于其优异的综合热力学特性，如高强度、高韧性、耐高温和高可靠性[9-12]，已成为更有前途的候选材料之一。Si3N4-AMB Cu 不仅具有与 AlN 相同的散热能力，而且其使用寿命可以增加一个数量级以上。宫崎等人 [13] 研究了Si3N4 AMB Cu在-40~250℃下的循环冲击特性：经过100次循环，铜厚度为0.5毫米在3毫米样品中的陶瓷中出现微裂纹，而铜的厚度为0.5毫米。15毫米样品在1000次循环后没有产生微裂纹。实际上，丰田和特斯拉的某些车型已经使用了Si3N4 AMB Cu。但是，目前，高性能Si3N4陶瓷基板的制备技术主要掌握在日本企业手中，中国没有批量生产能力。因此，关于Si3N4 AMB Cu的研究报道很少。本文在开发高性能Si3N4陶瓷基板的基础上，开展了Si3N4 AMB Cu的可靠性评估研究，从而为相应功率器件在中国高速铁路、智能电网、电动汽车等领域的广泛应用积累基础实验数据。 实验 1.1 实验原材料和仪器 原材料：Si3N4 陶瓷基板、无氧铜、活性金属焊料。仪器和设备：丝网印刷机 km-sy4060a、真空钎焊炉 ylm11-3020w。 1.2 实验过程 1. 2.1 用 AMB 工艺制备 Si3N4-AMB Cu 将 Si3N4 陶瓷基板放入 70 ℃ 蒸馏水中，超声波清洗 1 分钟，洗掉表面杂质并晾干。基材两面均使用活性金属焊料进行丝网印刷（主要成分为72ag28cu，并引入少量活性金属形成糊状），在80℃的烤箱中干燥。用铜覆盖印有焊料的基材的两面，将其放入真空钎焊炉，在 800 ℃/10-3 PA/10 分钟后获得样品。图 1 是它的结构图。