高出力半導体デバイスにおける Si3N4-AMB

パワー エレクトロニクス デバイスは、蓄電、送電、電気自動車、電気機関車、その他多くの産業分野でますます広く使用されています。パワー エレクトロニクス デバイス自体の継続的な高出力と高集積化により、チップは動作プロセスで大量の熱を発生します。熱が時間内かつ効果的に放散されない場合、パワーエレクトロニクス装置の動作性能に影響が及び、深刻な場合にはパワーエレクトロニクス装置自体が損傷することになる。そのため、絶縁・放熱機能を有するセラミック基板には優れた機械的特性や熱伝導性が求められます。窒化ケイ素 (Si3N4) セラミックの高い熱伝導率、耐熱衝撃性、および高温での優れた機械的特性により、Si3N4-AMB は多くの注目を集めています。

AMB プロセスを使用する理由

現在、パワー半導体デバイスに使用されるセラミック基板は主に DBC (Direct Bonded Copper) プロセスであり、Al2O3 と ZTA および AlN は DBC 技術と銅接合を使用できます。表面に Cu2O 層、1065 ～ 1083℃の Cu-Cu2O 液体液体を使用して 2 つの材料の接触面を濡らし、CuAlO2 化合物を生成してセラミックと銅の接合を実現します。

ただし、Si3N4 と銅の間には Cu-Si-O 化合物を形成できないため、活性金属ろう付け (AMB) 技術を銅と組み合わせる必要があり、活性金属元素 (Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf など) .) を使用してセラミック表面の特性を湿らせることができ、活性金属ろう付けによって Si3N4 セラミック プレート上に銅層を形成できます。

Si3N4-AMBの製造プロセス

AMBプロセスはろう付け材料の違いにより、主に配置銀銅チタン溶接パッドと印刷銀銅チタン溶接ペーストの2種類に分けられます。その後、例えば、Ag、Cu、Tiの元素を粉末の状態でスラリーに直接混合し、スクリーン印刷技術を用いて窒化ケイ素セラミック基板上に印刷したAg-Cu-Tiはんだを、熱プレス技術を用いて銅箔とするなど、はんだ上に積層され、最終的に焼結、リソグラフィー、腐食、メッキによりNiプロセスの準備がSi3N4 AMBプレートの要件を満たします。

Si3N4-AMBの製造プロセス

AMB プロセスでは、Ti などの遷移金属を使用して Ag や Cu などの元素と合金はんだを形成します。これは強い化学活性を持ち、酸化物セラミックや非酸化物セラミックと反応する可能性があり、溶融したはんだがセラミック表面を濡らすのを促します。窒化ケイ素と嫌気性銅の接続が完了します。活性元素 Ti と窒化ケイ素セラミックスとの反応の主な生成物は、TiN と TiAl 3 です。

ただし、どちらの方法にもいくつかの制限があります。まず第一に、ウェーハプロセスで使用される銀銅チタン電極は、準備プロセスで活性元素である Ti が酸化および偏析しやすいため、歩留まりが非常に低くなり、溶接接合部の性能が低下します。溶接ペーストのプロセスでは、高真空中で加熱すると大量の有機物が揮発するため、ろう付け界面が緻密でなくなり、穴が増え、使用過程で基板が高圧破壊や亀裂を起こしやすくなります。

AMBプロセスによる窒化ケイ素銅接合基板の製造プロセスでは、Si3N4セラミックスや銅シートの油分や酸化を除去し、高真空ろう付け環境を提供するために界面空洞率を低減することがよく知られている方法です。溶接圧力はキャビティ率に影響を与える最も重要な要素です。適切な圧力により、母材とはんだが密着し、接触反応の溶融が促進されるだけでなく、溶融はんだの流動性が向上し、ろう付け界面でのガスが押し出され、ろう付け温度の上昇を抑えることができます。空洞率。

さらに、真空+窒素の溶接雰囲気は、真空雰囲気よりも溶接空洞率を低減するのに役立ち、これもある程度AMBプロセスを促進しますが、窒素は高温でTiと反応する可能性があることに注意する必要があります。他の不活性ガス（ヘリウム、アルゴンなど）は、AMB プロセスにより適している場合があります。

Si3N4-AMBの特性

• AMB基板は、はんだ/電極の働きにより、DCBの銅やセラミックよりも接着力が高く、DBCよりも接着強度が高く信頼性が高くなります。
• Si3N4セラミックスは、アルミナ基板やZTA基板と比較して熱伝導率が高く(市販品の代表値80～90W/m.K)、熱伝導率が3倍以上あり、熱膨張係数(2.4ppm/K)が小さい。 、半導体チップ（Si、SiC）に近く、良好な熱マッチングを備えています。

AMB基板の熱抵抗の比較

• 窒化ケイ素は優れた機械的特性（高い曲げ強度と高い破壊靱性を兼ね備え、酸化アルミニウム基板や窒化アルミニウム基板の約2倍の曲げ強度）を備えているため、低温および高温衝撃耐性が高く（信頼性が高く）、非常に厚い銅を使用することができます。比較的薄い窒化ケイ素セラミックに溶接された金属（厚さ 800um まで）。したがって、電流容量が比較的大きく、熱伝導性も非常に優れています。

Si3N4-AMB基板の応用

Si3N4-AMB は、高い熱伝導率、高い機械エネルギー、高い耐荷重性、低い熱膨張係数を備えています。 SICMOSFETパワーモジュールや高出力IGBTモジュールなどの高温・高出力の半導体電子デバイスに適しており、電気自動車(EV)やハイブリッド自動車(HV)、鉄道交通、太陽光発電などの分野で使用されています。 

コストパフォーマンスの観点から、現行の450/600V IGBTモジュールは汎用性の高いDBCセラミック基板、800V以上はAMBセラミック基板を採用しています。 SiC はパワーデバイスの集積度と出力密度の明らかな向上により、それに伴う作業で発生する熱が非常に増加するため、より高い熱性能と堅牢性を実現するために Si3N4-AMB 基板を採用することが新たなトレンドとなっています。

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