功率半導(dǎo)體模塊用陶瓷覆銅基板質(zhì)量測試評價體系的研究

孫高梅琳，李凱，侯曉剛，夏衛(wèi)亮，劉梅，訾文娟，陳子雯，耿振華，蘇濤，王寧，艾瑋，畢志英，劉文華

（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)淄博有限公司,淄博 255000）

1 功率模塊用陶瓷覆銅基板產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

目前陶瓷覆銅板（片）高精尖技術(shù)生產(chǎn)廠商大部分為外資企業(yè)，以村田、太陽誘電、羅伯特博世、三星等外國企業(yè)在基板領(lǐng)域技術(shù)最為先進(jìn)，為第一梯隊(duì)，占據(jù)了主要市場份額[1]。中國臺灣地區(qū)的國巨和華新科等企業(yè)技術(shù)水平僅次于第一梯隊(duì)，也占據(jù)了一定的市場份額。在全球基片（板）供應(yīng)商中，中國大陸廠商整體屬于第三梯隊(duì)，主要包括深圳宇陽、風(fēng)華高科、達(dá)方、三環(huán)集團(tuán)等。并且在今年這些企業(yè)同時出現(xiàn)上百億規(guī)模生產(chǎn)投資擴(kuò)張[2]。

國內(nèi)基板的開發(fā)比國外發(fā)達(dá)國家至少落后5 年，相應(yīng)的檢驗(yàn)測試技術(shù)評價手段更加落后，國外已經(jīng)擁有完善的測試評價機(jī)構(gòu)，而國內(nèi)的許多檢測機(jī)構(gòu)還停留在僅是出具檢測報告的階段，不能有效促進(jìn)生產(chǎn)廠家的技術(shù)創(chuàng)新。建立新的基板測試技術(shù)評價服務(wù)體系將彌補(bǔ)國內(nèi)基片檢測的漏洞，促進(jìn)我國基板技術(shù)的蓬勃發(fā)展[3]。

現(xiàn)階段國內(nèi)陶瓷基板企業(yè)蓬勃發(fā)展，受國際形勢的影響，我國必須建立高精尖的基板生產(chǎn)企業(yè)以滿足現(xiàn)在陶瓷基板使用需求[4]。然而國內(nèi)陶瓷基板的測試技術(shù)還沒有形成一個完整的體系，建立一個測試評價服務(wù)平臺不僅能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時能夠提高國內(nèi)陶瓷基板材料的性能，擺脫我國對國外基板的依賴，從而提高我國的綜合實(shí)力。

2 國內(nèi)外評價標(biāo)準(zhǔn)情況

目前陶瓷覆銅板性能測試主要針對陶瓷基片的性能，覆銅后的性能沒有確定的測試標(biāo)準(zhǔn)方法[5]。通過調(diào)研研究，深入了解陶瓷覆銅板在實(shí)際使用中的性能（力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等）指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)需求，對陶瓷覆銅板測試技術(shù)的檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，明確陶瓷基板的檢驗(yàn)項(xiàng)目和性能指標(biāo)[6]。

國內(nèi)對于功率半導(dǎo)體模塊用陶瓷覆銅板可靠性能評價沒有統(tǒng)一、確切的標(biāo)準(zhǔn)體系，PCB 工藝覆銅板的測試標(biāo)準(zhǔn)不能滿足現(xiàn)階段陶瓷覆銅板的檢測需求。有關(guān)功率半導(dǎo)體模塊用陶瓷覆銅板的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仍為空白。

表1 陶瓷覆銅板產(chǎn)品和方法標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析比對，不難發(fā)現(xiàn)陶瓷覆銅板產(chǎn)品的主要性能參數(shù)存在如下主要問題：

1)通過市場調(diào)研，深入了解陶瓷基板在實(shí)際使用中的性能（力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等）指標(biāo)。并根據(jù)指標(biāo)需求，對陶瓷覆銅板測試技術(shù)的檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，明確陶瓷基板的檢驗(yàn)項(xiàng)目和性能指標(biāo)。

2)對于目前陶瓷基板性能測試標(biāo)準(zhǔn)比較單一，目前主要采用電子陶瓷標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T 5593 和GB/T5594。通過跟生產(chǎn)使用廠家溝通，根據(jù)精細(xì)陶瓷標(biāo)準(zhǔn)對基板的適用性選擇合適的基片性能檢測標(biāo)準(zhǔn)，并對可采用標(biāo)準(zhǔn)做統(tǒng)一歸納整理。形成一套適應(yīng)生產(chǎn)廠家和使用廠家的測試標(biāo)準(zhǔn)體系。

3)試驗(yàn)室目前欠缺的檢測標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)簡單設(shè)備，進(jìn)行匯總，對相應(yīng)電子標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)項(xiàng)，基礎(chǔ)設(shè)備的采購。確保試驗(yàn)室的正常檢測活動。

4)目前國內(nèi)對于陶瓷覆銅板疲勞性能評價沒有統(tǒng)一、確切的標(biāo)準(zhǔn)體系，制定基片評價標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)相應(yīng)的測試設(shè)備。

通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的檢測參數(shù)中，部分參數(shù)的測試方法不能反映產(chǎn)品的真實(shí)性能，結(jié)合陶瓷覆銅板產(chǎn)品的特性，提出陶瓷覆銅板待解決的關(guān)鍵問題，比如：

1)針對陶瓷基片厚度只有0.25mm-1mm，在測量基片彎曲強(qiáng)度曲率半徑太小，導(dǎo)致強(qiáng)度測試結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用不符合的現(xiàn)象，制定相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)，使測試結(jié)果準(zhǔn)確表征產(chǎn)品的使用性能。

2)研究陶瓷基板性能測試中：彈性模量、泊松比、斷裂韌性等標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性問題，探究更為可靠的表征方法。

3)協(xié)助基片生產(chǎn)廠家超薄基片生產(chǎn)工藝的改進(jìn)研發(fā)，研究陶瓷基片內(nèi)部氣孔空洞對基片性能的影響，現(xiàn)階段國內(nèi)基片的生產(chǎn)水平落后于日本、德國等國家，國內(nèi)的基片厚度大、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，協(xié)助廠家提高基板的產(chǎn)品質(zhì)量。

4)目前國內(nèi)陶瓷基片疲勞性能測試方法缺失，借鑒國外先進(jìn)評價技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)疲勞性能測試的空白，并組織相關(guān)儀器設(shè)備廠家研發(fā)相應(yīng)評價設(shè)備。

5)建立完善的陶瓷基片(板)產(chǎn)品質(zhì)量評價體系。結(jié)合陶瓷基板產(chǎn)業(yè)鏈上下游需求，特別是用戶對陶瓷基板的服役性能的需求，建立完整的產(chǎn)品質(zhì)量評價指標(biāo)體系。組織全產(chǎn)業(yè)鏈各方共同參與討論，建立融合使用方和生產(chǎn)方需求滿足產(chǎn)品實(shí)際服役需求的質(zhì)量評價指標(biāo)體系。

3 共性關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

3.1 產(chǎn)品符合性

參照國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對氧化鋁陶瓷覆銅板檢驗(yàn)項(xiàng)目及要求進(jìn)行了規(guī)定，具體見表2 形成產(chǎn)品符合性評價表。

表2 陶瓷覆銅板檢驗(yàn)項(xiàng)目及要求

3.2 工藝穩(wěn)定性

氧化鋁陶瓷覆銅板工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 陶瓷覆銅板工藝流程圖

通過對工藝流程的梳理，確定工藝指標(biāo)的數(shù)據(jù)化評價方法，形成工藝穩(wěn)定性評價表，具體見表3。

表3 陶瓷覆銅板工藝穩(wěn)定性參數(shù)控制要求

3.3 關(guān)鍵點(diǎn)的過程控制能力

通過微觀表征、XPS 斷面分析、熱阻測試、機(jī)械性能測試、腐蝕性能測試等方面的測試數(shù)據(jù)比對，分別從微觀和宏觀側(cè)面驗(yàn)證陶瓷覆銅板工藝兼容性和細(xì)微電路適用性。

1)銅面晶粒對比分析：

圖2 為樣品銅面光學(xué)金相照片的對比，左側(cè)樣品銅晶粒度尺寸50～60μm 左右，右側(cè)樣品銅的晶粒比較大其晶粒尺寸超過200μm。其中左側(cè)樣品中銅晶界上分布大量顆粒狀二次析出相。由此可推測，樣品采用的薄銅板在加熱過程中的釘扎晶界可以抑制晶粒粗化。圖3 樣品橫斷面金相照片中可見，左側(cè)樣品中銅的晶粒數(shù)量較多，右側(cè)樣品中銅的晶粒數(shù)量很少。通過以上對比實(shí)驗(yàn)分析，可用于指導(dǎo)產(chǎn)品質(zhì)量提升。

圖2 樣品銅面金相照片

圖3 樣品橫斷面金相照片

圖4 樣品銅與氧化鋁陶瓷結(jié)合層掃描電鏡照片

2)銅箔結(jié)合層對比分析：

在宏觀上通過剝離試驗(yàn)測試銅與氧化鋁陶瓷的結(jié)合強(qiáng)度，微觀上，通過掃描電鏡照片比對銅與氧化鋁陶瓷之間的結(jié)合情況，觀察界面存在的氣孔缺陷。提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4 服役適用性

陶瓷覆銅板的服役性能，主要檢測覆銅板的耐溫度沖擊、耐溫度銅面剝離、鉛熱回流、焊接性能等，具體要求如表4 所示：

表4 服役適用性檢驗(yàn)項(xiàng)目表

4 國內(nèi)外產(chǎn)品性能比對結(jié)果

樣品選用以下生產(chǎn)單位做比對試驗(yàn)，如：日本丸和、德國賽昂泰克、國內(nèi)廠家1、國內(nèi)廠家2、國內(nèi)廠家3、國內(nèi)廠家4，具體結(jié)果見表5。

表5 服役適用性檢驗(yàn)項(xiàng)目表

按規(guī)范內(nèi)容，抽取30 片國內(nèi)公司生產(chǎn)的陶瓷覆銅板，評價結(jié)果見表6。

表6 陶瓷覆銅板檢驗(yàn)結(jié)果和評價結(jié)果

從評價結(jié)果可以看出，按照本規(guī)范規(guī)定的測試方法對本次抽取的氧化鋁陶瓷覆銅板進(jìn)行測量后，其結(jié)果符合規(guī)定的指標(biāo)要求。同時，該型號的氧化鋁陶瓷覆銅板在電氣性能、機(jī)械性能、耐熱性能等方面表現(xiàn)良好，具有較高的品質(zhì)和穩(wěn)定性，適用于高端電子產(chǎn)品的制造。因此，該產(chǎn)品在市場上具有較高的競爭力和市場需求。

陶瓷覆銅基板是功率模塊中常用的基板材料，其質(zhì)量對功率模塊的性能和可靠性具有重要影響。因此，建立一個科學(xué)、全面的測試評價體系對于保障功率模塊質(zhì)量非常必要。目前，陶瓷覆銅基板質(zhì)量測試評價體系已經(jīng)得到了應(yīng)用，其應(yīng)用效果良好。該體系包括基板的物理性能、機(jī)械性能、熱性能等多個方面的測試項(xiàng)目，通過對這些項(xiàng)目的測試和評價，可以全面了解陶瓷覆銅基板的質(zhì)量狀況，為功率模塊的設(shè)計和生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

此外，陶瓷覆銅基板質(zhì)量測試評價體系還可以幫助制造商和用戶進(jìn)行質(zhì)量管理和質(zhì)量控制。制造商可以通過對基板進(jìn)行測試和評價，及時發(fā)現(xiàn)和解決質(zhì)量問題，提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平；用戶可以通過對基板的測試和評價，選擇合適的基板材料，提高功率模塊的可靠性和性能。

綜上所述，陶瓷覆銅基板質(zhì)量測試評價體系應(yīng)用效果良好，對于保障功率模塊的質(zhì)量和可靠性具有重要作用。說明該評價方案可有效應(yīng)用于陶瓷覆銅板產(chǎn)品的評價。