「面向未来」之车载陶瓷基板的技术关键和发展趋势

“面向未来”是NE时代推出的一档全新栏目板块，旨在从产业发展的角度，层层剖析未来汽车新技术发展方向。本次面向未来系列，罗杰斯受邀针对金属化陶瓷基板的应用和未来与NE时代展开了深入交流，以系统地展示车载陶瓷基板的技术关键和发展趋势。

根据NE时代统计，2024年1-11月，中国新能源汽车中功率模块的装机量达到了1147万套，同比增速高达53.5%。受功率模块的带动，金属化陶瓷基板迎来了快速发展。

新能源汽车用金属化陶瓷基板主要分为两类，DBC和AMB。两者的主要区别在于工艺本身，前者是在陶瓷基板上直接覆铜，后者则是利用活性金属钎料将铜钎焊在陶瓷上。并且为了更好的满足银烧结工艺，部分产品在铜表面镀银以提升产品稳定性。

DBC工艺 VS AMB工艺

工艺的差异导致也会影响陶瓷材料选型。DBC技术仅用于氧化物陶瓷，如氧化铝、氧化锆掺杂氧化铝。而非氧化物陶瓷则必须先氧化，然后才能采用直接覆铜工艺。典型的如氮化铝，必须先氧化才可以直接覆铜，制成DBC基板。因此氮化铝既可以制成DBC也可以制成AMB。而氮化硅（Si3N4）仅能用作AMB基板。

不同陶瓷材料对比，来源：公开信息，整理：NE时代

陶瓷材料的差异会影响基板的热性能，典型如热膨胀系数和热导率。氮化硅和氮化铝在该方面的性能要明显优于氧化物陶瓷，这也是在碳化硅功率模块中更倾向采用氮化硅或氮化铝的原因。2024年1-11月，碳化硅功率模块占比突破了12%，并且在持续增长中。

不同的产品对应的产品可靠性也不相同。据悉，得益于氮化硅AMB优异的热性能和机械性能，与传统DBC产品相比，氮化硅AMB基板的可靠性提高了50倍。此外，热性能的提升对最大电流的帮助也非常明显。在芯片不变的情况，AMB基板可以实现15%的功率提升。

AMB虽然性能表现优于DBC，但其成本和产业成熟度则均弱于DBC。供应商主要由包括罗杰斯、贺利氏、东芝、KCC等外资企业，国内包括富乐华、博敏电子、艾成、江丰同芯等少数企业可以提供车规AMB基板。

本次面向未来系列，NE时代邀请罗杰斯共同针对金属化陶瓷基板的应用和未来展开了深入交流，以系统地展示车载陶瓷基板的技术关键和发展趋势。以下为详细文字记录。

NE时代：单个功率模块产品中，金属化陶瓷基板的用量是由什么决定的？

罗杰斯：功率大小、电路复杂度和热管理需求决定了功率模块中使用的金属化陶瓷基板的大小和数量。对物理应力的耐久性和对电隔离的需求同样也会影响基板的选择和尺寸。基板材料的选择还需考虑生产能力、产品成本和客户特定需求。

NE时代：如何评价金属化基板产品的好坏？受哪些因素的影响？

罗杰斯：功率模块陶瓷基板产品的性能评估基于：

• 热管理：通过热导率评估有效的散热，并与半导体材料的热膨胀系数匹配。

• 电气特性：高压绝缘和介电强度对于防止电路短路和承受高电压至关重要，同时也要考虑金属化的电导率。

• 机械耐用性：陶瓷基板必须足够好的鲁棒性，能够承受物理应力，并且具有支持与其他材料强烈粘附的表面质量。在模块组装期间以及后续的现场使用期间，基板会承受大量的应力。对基板的一个重要要求是热循环性能，这代表了其在应用过程中抵抗层压分离或开裂的能力。

• 化学抵抗性：应对环境因素如湿度和化学物质的稳定性，确保了耐用性。

NE时代：哪些指标是需要在设计阶段考虑的？罗杰斯是如何提升产品质量的？

罗杰斯：在设计阶段，重要的考虑因素包括：

• 材料选择：平衡热导率和适合应用的电绝缘特性。

• 基板厚度：优化电绝缘和热传递。

• 金属化兼容性：选择正确的表面处理以在客户处实现最佳的加工性，并确保良好的电气性能和可焊性。

• 尺寸和形状：根据模块内不同组件进行布局，同时考虑设备外壳的限制及pin脚的折弯等进行定制。

多年来与领先的电力电子公司和研究机构紧密合作的经验，使得罗杰斯成为开发和生产高质量、技术先进的陶瓷基板的可靠合作伙伴。

NE时代：随着汽车驱动功率的提升，功率模块的电流能力也在不断加强。大电流的对金属化陶瓷基板的影响主要在哪些方面？如何在兼顾成本的情况下，提升模块的电流能力？

罗杰斯：金属化陶瓷基板的载流能力由导电层决定。通过使用的铜材等级，我们已经确保了尽可能高的电导率。为了进一步增加金属化基板的电流容量，需要增加导电层的截面积，比如加宽或增加铜厚度来实现。其实市场上已经有许多工业模块具有更高的载流能力，同时也已经是薄铜，因此增加铜厚度的迫切性可能不会那么高。尽管如此，改变铜材和宽厚度的办法确实可以帮助获得载流余量，以及在芯片下改善热扩散效果。

NE时代：碳化硅相比IGBT，模块功率更大，同时芯片耐温能力也提升。选用金属化陶瓷基板时是否会侧重点？除了DBC和AMB大的不同外，在性能指标方面是否有侧重？如果选用成本更优的DBC，需要提升哪些方面？

罗杰斯：在功率模块中，对更长的使用寿命和更高的热性能的需求，可以通过使用高强度的Si3N4（氮化硅）绝缘材料来实现。SiC的更高温度耐受性使得必须更快地排除产生的热量。这就是为什么大多数SiC模块都与具有高热导率的陶瓷基板（如Si3N4）相连接的原因。研究表明，根据金属化方法的不同，与传统的DBC陶瓷材料相比，使用AMB技术的Si3N4的可靠性提高了50倍。同时，Si3N4陶瓷具有更高的机械性能，尤其是其非常高的断裂韧性，有助于提高其可靠性。

AlN陶瓷能有利于进一步利用SiC Mosfets的性能。当然，AlN陶瓷较弱的机械性能是需要克服的障碍。

实际案例中，我们也看到模块厂商会考虑用Si3N4 AMB来搭配IGBT的使用。在芯片成本不变的情况下，通过AMB陶瓷基板的高热导性，有机会提升整体模块功率15%左右。

另一方面，罗杰斯也为DBC工艺提供了优化方案，在铜侧壁设计上，用curamik® Endurance技术替代Dimple设计，可提高三倍以上的可靠性，从工艺上一定程度弥补了DBC的可靠性上面的不足。

罗杰斯Endurance技术，来源：罗杰斯

NE时代：中国是新能源汽车最大的市场，同时也是价格竞争最激烈的市场。罗杰斯如何将中外两者的优势发挥至最大？未来金属化陶瓷基板降本的方向有哪些？预计对降本的帮助有多大？

罗杰斯：系统成本的优化是我们技术革新的一个重要方向。从整体设计、材料及工艺革新等方向入手，都可以帮助到降本。比如上文提到，在普通DBC陶瓷基板上，用Endurance技术替代传统Dimples, 可以提高其长可靠性三倍以上；再比如采用高热导的氮化硅陶瓷基板，可以有助降低模块级的热阻5%-10%。

从本地化生产方面，罗杰斯亚洲总部扎根苏州工业园区二十余年。2024年10月，作为罗杰斯陶瓷基板新生产基地的罗杰斯电子材料（苏州）有限公司正式投入运营。这不仅是罗杰斯在全球陶瓷基板业务布局中的一个重要节点，更是对亚洲市场，尤其是中国市场信心的直接体现。增进和国内上下游合作伙伴的紧密合作，实现共赢。