侯美珍

摘要：針對氮化鋁陶瓷基板的IGBT應用展開分析，著重對不同金屬化方法制備的覆銅AlN基板進行可靠性進行研究。通過對比厚膜法、薄膜法、直接覆銅法和活性金屬釬焊法金屬化AlN基板的剝離強度、熱循環(huán)、功率循環(huán)，分析結果可知，活性金屬釬焊法制備的AlN覆銅基板優(yōu)于其他工藝基板，剝離強度25 MPa，（-40～150）℃熱循環(huán)達到1500次，能耐1200 A/3.3 kV功率循環(huán)測試7萬次，滿足IGBT模塊對陶瓷基板可靠性需求。

關鍵詞：IGBT；AlN陶瓷基板；金屬化；可靠性應用

0引言

在電力電子的應用中，大功率電力電子器件 IGBT 是實現(xiàn)能源控制與轉換的核心，廣泛應用于高速鐵路、智能電網(wǎng)、電動汽車與新能源裝備等領域[1-2]。隨著能量密度提高，功率器件對陶瓷覆銅基板的散熱能力和可靠性的要求越來越高。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，技術最為成熟，成本最低，應用最廣泛，但 Al2O3陶瓷的熱導率僅為17～25 W/（m ·K），且與 Si 及 GaAs 等半導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，燒結損耗大、難以致密，成本高，限制了其大批量應用。Si3N4雖然強度、韌性高、可靠性高，以其等優(yōu)異的綜合熱力學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率均較低，且關鍵技術都掌握在日本，限制了在國內 Si3N4基板在 IGBT 組件中的應用。BeO的熱導率雖與AlN相當，但熱膨脹系數(shù)過高，且BeO粉體有毒性，吸入人體后會導致慢性鈹肺病，世界上大多數(shù)國家早已停止使用BeO。相比而言，AlN陶瓷基板具有高的導熱性（理論值319 W/（m ·K））與 Si 等半導體材料較匹配的熱導率、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，是先進集成電路陶瓷基板最重要的材料之一。

AlN基板金屬化技術主要有厚膜法（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，為相應功率器件在我國高速鐵路、智能電網(wǎng)、電動汽車等領域的廣泛應用積累基礎實驗數(shù)據(jù)。

1試驗方法

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），無氧高導電銅箔（OFHC ，0.05 mm，中國國藥化學試劑有限公司），五水硫酸銅（CuSO4·5H2O，中國國藥化學試劑有限公司），鹽酸（HCl，中國國藥化學試劑有限公司），硫酸（H2 SO4，中國國藥化學試劑有限公司），Cu-P 陽極板（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%，長沙天九金屬材料有限公司），燒結 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：將銅漿料通過絲網(wǎng)印刷涂布在AlN陶瓷基板上，膜厚50μm，850℃真空燒結，得到 TFC 覆銅AlN基板。

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

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℃并保溫一段時間，即可得到覆銅AlN基板。

2分析測試

使用島津拉力機分別測試四種金屬化方法制備的覆銅AlN陶瓷基板的剝離強度，使用冷熱沖擊試驗箱測試覆銅基板可靠性，最后對基板進行功率循環(huán)測試和熱阻測試。

3結果與討論

3.1不同金屬化方法制備AlN覆銅基板的剝離強度

AlN陶瓷金屬化銅層與基板的結合力大小決定了其在實際應用過程中的可靠與否，是陶瓷金屬化基板的核心性能指標。本文借鑒《微電子技術用貴金屬漿料測試方法附著力測定》[9]中的方法，通過剝離強度測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 層的剝離強度。

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

對于 AMB 基板，由于中間有1層活性釬料，其中的Ti元素對附著力起到關鍵因素，Ti元素與AlN基板反應生成TiN，可以提升金屬層的附著力。對于 DBC 基板，在覆銅過程中 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 箔之前通常需要對其進行預氧化處理，形成幾個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合[5]。TFC 基板的附著力主要由漿料內部的玻璃成分決定，高溫燒結過程中玻璃軟化并與陶瓷基板潤濕產生結合，此外軟化的玻璃還可以錨接銅粉燒結形成的金屬化層，從而使金屬化層與陶瓷基板牢固結合。對于 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合，因此金屬層結合力最低。

3.24種AlN基板可靠性測試（冷熱沖擊）

對4種AlN覆銅基板循環(huán)進行冷熱沖擊熱循環(huán)實驗，條件為在-55℃～150℃，每個溫度保溫30 min，5 s 內完成到155℃溫度轉換，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，剝離強度降為20%。DBC 基板在1000次冷熱循環(huán)后，剝離強度降低了20%，但去除金屬層，通過超聲波掃描顯微鏡探測，與銅結合邊緣處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程中，材料內部存在大量的熱應力，而導致開裂。AMB 基板在1500次冷熱循環(huán)后，金屬層剝離力無下降現(xiàn)象，陶瓷表面無微裂紋。由于金屬層與AlN陶瓷之間有剛度較低的活性釬料過渡層，可以避免大量的熱應力形成而造成的AlN陶瓷基板微裂紋產生[6]。

3.34種AlN基板功率循環(huán)耐測試

為了更好地評估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，用硅膠進行密封保護，恒定功率為1200 A/3.3 kV、0～85000次循環(huán)測試，驗證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設置為45℃，Tc 為循環(huán)后的溫度，相對熱阻 Rr 由下式計算[7]：

從圖3可知，AMB 陶瓷基板 IGBT 模塊在7萬次功率循環(huán)后，模塊溫度為50℃，相對熱阻＜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（相對熱阻＜15%）。DBC 陶瓷基板 IGBT 模塊在4萬次循環(huán)前，相對熱阻保持在15%以內，超過4萬次，模塊溫度逐漸增高，相對熱阻（＞15%）超出了可靠性要求。DPC 陶瓷基板在1萬次相對熱阻為22%，器件受到破壞，在3萬次循環(huán)后器件完全失效。TFC 陶瓷基板在2萬次循環(huán)后相對熱阻為33%，器件受到破壞，4.5萬次循環(huán)后器件完全失效。

4結束語

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

參考文獻：

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[6] 錢建波，黃世東.IGBT用氮化鋁覆銅襯板可靠性研究[J].大功率變流技術，2017（5）：55-69.

[7] 張薷方. 基于有限元法的IGBT模塊封裝散熱性能及熱應力的仿真研究[D].重慶：重慶大學，2015.

[8] GB/T 17473.4—2008微電子技術用貴金屬漿料測試方法附著力測定[S].