IGBT模塊中不同金屬化方法覆銅氮化鋁陶瓷基板的可靠性研究

侯美珍

摘要：針對(duì)氮化鋁陶瓷基板的IGBT應(yīng)用展開分析，著重對(duì)不同金屬化方法制備的覆銅AlN基板進(jìn)行可靠性進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)比厚膜法、薄膜法、直接覆銅法和活性金屬釬焊法金屬化AlN基板的剝離強(qiáng)度、熱循環(huán)、功率循環(huán)，分析結(jié)果可知，活性金屬釬焊法制備的AlN覆銅基板優(yōu)于其他工藝基板，剝離強(qiáng)度25 MPa，（-40～150）℃熱循環(huán)達(dá)到1500次，能耐1200 A/3.3 kV功率循環(huán)測(cè)試7萬(wàn)次，滿足IGBT模塊對(duì)陶瓷基板可靠性需求。

關(guān)鍵詞：IGBT；AlN陶瓷基板；金屬化；可靠性應(yīng)用

0引言

在電力電子的應(yīng)用中，大功率電力電子器件 IGBT 是實(shí)現(xiàn)能源控制與轉(zhuǎn)換的核心，廣泛應(yīng)用于高速鐵路、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域[1-2]。隨著能量密度提高，功率器件對(duì)陶瓷覆銅基板的散熱能力和可靠性的要求越來(lái)越高。目前的陶瓷基板材料主要有：Al2O3、ALN、Si3N4、BeO、SiC等[3-4]。其中 Al2O3陶瓷開發(fā)最早，技術(shù)最為成熟，成本最低，應(yīng)用最廣泛，但 Al2O3陶瓷的熱導(dǎo)率僅為17～25 W/（m ·K），且與 Si 及 GaAs 等半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)匹配性較差，限制了其在高頻、大功率、高集成電路中的使用。SiC陶瓷基板的熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)與 Si 最為相近，但其介電性能（εr=42）較差，燒結(jié)損耗大、難以致密，成本高，限制了其大批量應(yīng)用。Si3N4雖然強(qiáng)度、韌性高、可靠性高，以其等優(yōu)異的綜合熱力學(xué)性能成為較有前途的大功率候選材料之一，但多晶 Si3N4陶瓷在室溫下的熱導(dǎo)率均較低，且關(guān)鍵技術(shù)都掌握在日本，限制了在國(guó)內(nèi) Si3N4基板在 IGBT 組件中的應(yīng)用。BeO的熱導(dǎo)率雖與AlN相當(dāng)，但熱膨脹系數(shù)過(guò)高，且BeO粉體有毒性，吸入人體后會(huì)導(dǎo)致慢性鈹肺病，世界上大多數(shù)國(guó)家早已停止使用BeO。相比而言，AlN陶瓷基板具有高的導(dǎo)熱性（理論值319 W/（m ·K））與 Si 等半導(dǎo)體材料較匹配的熱導(dǎo)率、寬的操作溫度（工作溫度范圍和耐高溫方面）和優(yōu)良的絕緣性能，在大功率電力半導(dǎo)體模塊、智能功率組件、汽車電子、高密度封裝載板和發(fā)光二極管（LED）等方面有很好的發(fā)展前景，是先進(jìn)集成電路陶瓷基板最重要的材料之一。

AlN基板金屬化技術(shù)主要有厚膜法（TFC）、薄膜法（DPC）、直接覆銅法（DBC）及活性金屬釬焊法（AMB）等方法。本文著重開展以上4種金屬化方法制備覆銅AlN基板的可靠性研究，為相應(yīng)功率器件在我國(guó)高速鐵路、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用積累基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1試驗(yàn)方法

使用厚度1 mm 的AlN陶瓷基板（福建華清電子材料科技有限公司），無(wú)氧高導(dǎo)電銅箔（OFHC ，0.05 mm，中國(guó)國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司），五水硫酸銅（CuSO4·5H2O，中國(guó)國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司），鹽酸（HCl，中國(guó)國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司），硫酸（H2 SO4，中國(guó)國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司），Cu-P 陽(yáng)極板（P 含量0.05%，深圳市斗光電子科技公司），AgCuTi活性金屬焊膏（Ti含量4.5%，長(zhǎng)沙天九金屬材料有限公司），燒結(jié) Cu 漿（惠州市騰輝科技有限公司）。將AlN陶瓷和銅箔切割為尺寸10 mm×10 mm 的正方形塊狀，并使用1000目砂紙打磨表面，然后在蒸餾水浴中超聲清洗20 min 備用。

DPC 金屬化：采用磁控濺射先在AlN陶瓷表面制備厚約1μm 的Ti打底層，再制備一層厚約3μm 的 Cu 種子層。最后將該陶瓷基板置于電鍍液（CuSO4 ·5HO 200 g/L，H2 SO450 g/L，Cl-60μg/L）中電鍍，使 Cu 層增厚至約50μm ，完成金屬化。

TFC 金屬化：將銅漿料通過(guò)絲網(wǎng)印刷涂布在AlN陶瓷基板上，膜厚50μm，850℃真空燒結(jié)，得到 TFC 覆銅AlN基板。

DBC 金屬化：將AlN基板與 Cu 箔對(duì)齊裝配后施加一定壓力，控制爐內(nèi)氧分壓，加熱至1065℃，使得 Cu 箔表面的氧化物薄層與AlN基板表面氧化產(chǎn)生的 Al2O3反應(yīng)生成 CuAlO2化合物，并產(chǎn)生冶金結(jié)合。

AMB 金屬化：在AlN表面涂布一層AgCuTi焊膏，并覆上 Cu 箔，之后將樣件置于真空環(huán)境中加熱至890℃并保溫一段時(shí)間，即可得到覆銅AlN基板。

2分析測(cè)試

使用島津拉力機(jī)分別測(cè)試四種金屬化方法制備的覆銅AlN陶瓷基板的剝離強(qiáng)度，使用冷熱沖擊試驗(yàn)箱測(cè)試覆銅基板可靠性，最后對(duì)基板進(jìn)行功率循環(huán)測(cè)試和熱阻測(cè)試。

3結(jié)果與討論

3.1不同金屬化方法制備AlN覆銅基板的剝離強(qiáng)度

AlN陶瓷金屬化銅層與基板的結(jié)合力大小決定了其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的可靠與否，是陶瓷金屬化基板的核心性能指標(biāo)。本文借鑒《微電子技術(shù)用貴金屬漿料測(cè)試方法附著力測(cè)定》[9]中的方法，通過(guò)剝離強(qiáng)度測(cè)試金屬化層的附著力。圖1是 DPC 金屬化基板、TFC 金屬化基板、DBC 金屬化基板和 AMB 金屬化基板 Cu 層的剝離強(qiáng)度。

從圖1可知，AMB 金屬化陶瓷基板陶瓷與金屬化層結(jié)合力最好，剝離強(qiáng)度為25 Mpa，接下來(lái)是 DBC 和 TFC 金屬化陶瓷基板，剝離強(qiáng)度分別為21 Mpa和15 Mpa，最差的是 DPC 金屬化基板，剝離強(qiáng)度僅為13 Mpa。

對(duì)于 AMB 基板，由于中間有1層活性釬料，其中的Ti元素對(duì)附著力起到關(guān)鍵因素，Ti元素與AlN基板反應(yīng)生成TiN，可以提升金屬層的附著力。對(duì)于 DBC 基板，在覆銅過(guò)程中 Cu 箔與微量氧氣生成 Cu2O，而 Cu2O 可以與金屬 Cu 形成共晶組織。AlN基板在覆 Cu 箔之前通常需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)氧化處理，形成幾個(gè)μm 厚度的 Al2O3層，Cu2O 與 Al2O3可以在高溫下生成 CuAlO2化合物，因此AlN基板與覆 Cu 層具有很好的界面結(jié)合[5]。TFC 基板的附著力主要由漿料內(nèi)部的玻璃成分決定，高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中玻璃軟化并與陶瓷基板潤(rùn)濕產(chǎn)生結(jié)合，此外軟化的玻璃還可以錨接銅粉燒結(jié)形成的金屬化層，從而使金屬化層與陶瓷基板牢固結(jié)合。對(duì)于 DPC 陶瓷基板，電鍍 Cu 層與AlN基板之間僅有一層Ti薄膜層，該薄膜與陶瓷基板僅有物理結(jié)合，因此金屬層結(jié)合力最低。

3.24種AlN基板可靠性測(cè)試（冷熱沖擊）

對(duì)4種AlN覆銅基板循環(huán)進(jìn)行冷熱沖擊熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，條件為在-55℃～150℃，每個(gè)溫度保溫30 min，5 s 內(nèi)完成到155℃溫度轉(zhuǎn)換，循環(huán)次數(shù)為100、500、1000、1500 cycles。

從表1可知，AMB 法制備的AlN覆銅板耐熱沖擊次數(shù)明顯高于其他制備工藝。AlN覆銅板耐熱沖擊主要的失效模式為金屬層剝離和AlN陶瓷基板開裂。

對(duì)于 DPC 基板，在200次冷熱循環(huán)后，金屬層與AlN完全剝離，剝離強(qiáng)度為0。AlN厚膜覆銅板，在500次冷熱循環(huán)后，金屬層有局部剝離，剝離強(qiáng)度降為20%。DBC 基板在1000次冷熱循環(huán)后，剝離強(qiáng)度降低了20%，但去除金屬層，通過(guò)超聲波掃描顯微鏡探測(cè)，與銅結(jié)合邊緣處AlN基板有微裂紋，這是由于金屬 Cu 和AlN的熱膨脹系數(shù)差別大，兩者在高溫急速降溫過(guò)程中，材料內(nèi)部存在大量的熱應(yīng)力，而導(dǎo)致開裂。AMB 基板在1500次冷熱循環(huán)后，金屬層剝離力無(wú)下降現(xiàn)象，陶瓷表面無(wú)微裂紋。由于金屬層與AlN陶瓷之間有剛度較低的活性釬料過(guò)渡層，可以避免大量的熱應(yīng)力形成而造成的AlN陶瓷基板微裂紋產(chǎn)生[6]。

3.34種AlN基板功率循環(huán)耐測(cè)試

為了更好地評(píng)估AlN覆銅板耐久性和壽命，將4種AlN覆銅板以常規(guī)工藝封裝成 IGBT 模塊，用硅膠進(jìn)行密封保護(hù)，恒定功率為1200 A/3.3 kV、0～85000次循環(huán)測(cè)試，驗(yàn)證4種AlN覆銅板 IGBT 模塊的功率循環(huán)可靠性。器件的起始溫度 T0設(shè)置為45℃，Tc 為循環(huán)后的溫度，相對(duì)熱阻 Rr 由下式計(jì)算[7]：

從圖3可知，AMB 陶瓷基板 IGBT 模塊在7萬(wàn)次功率循環(huán)后，模塊溫度為50℃，相對(duì)熱阻＜15%，滿足電力電子器件特別是高壓、大電流 IGBT 模塊可靠性要求（相對(duì)熱阻＜15%）。DBC 陶瓷基板 IGBT 模塊在4萬(wàn)次循環(huán)前，相對(duì)熱阻保持在15%以內(nèi)，超過(guò)4萬(wàn)次，模塊溫度逐漸增高，相對(duì)熱阻（＞15%）超出了可靠性要求。DPC 陶瓷基板在1萬(wàn)次相對(duì)熱阻為22%，器件受到破壞，在3萬(wàn)次循環(huán)后器件完全失效。TFC 陶瓷基板在2萬(wàn)次循環(huán)后相對(duì)熱阻為33%，器件受到破壞，4.5萬(wàn)次循環(huán)后器件完全失效。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)比了4種AlN基板的剝離強(qiáng)度、熱循環(huán)可靠性、模塊功率循環(huán)可靠性。從對(duì)比可知，AlN-AMB 覆銅板可靠性最好，剝離強(qiáng)度25 MPa，-40～150℃熱循環(huán)達(dá)到1500次，能耐1200 A/3.3 kV 功率循環(huán)測(cè)試，滿足高壓、大電流、高頻 IGBT 模塊封裝對(duì)覆銅板的可靠性要求。采用氮化鋁基板進(jìn)行功率負(fù)載的制備可有效提高器件的耐功率能力。

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