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

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(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（ε_r = 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)過高，且BeO 粉體有毒性，吸入人體后會導(dǎo)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(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)功率器件在我國高速鐵路、智能電網(wǎng)、電動汽車等領(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)， 無氧高導(dǎo)電銅箔(OFHC，0.05 mm，中國國藥化學(xué)試劑有限公司)，五水硫酸銅（CuSO₄·5H₂O，中國國藥化學(xué)試劑有限公司），鹽酸（HCl，中國國藥化學(xué)試劑有限公司），硫酸（H₂SO₄，中國國藥化學(xué)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(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1 000 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1 μm 的Ti 打底層，再制備一層厚約3 μm 的Cu種子層。最后將該陶瓷基板置于電鍍液（CuSO₄·5HO 200 g/L，H₂SO₄ 50 g/L，Cl^- 60 μg/L）中電鍍，使Cu 層增厚至約50 μm，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50 μm，850 ℃ 真空燒結(jié)，得到TFC覆銅AlN 基板。

DBC 金屬化：將AlN 基板與Cu 箔對齊裝配后施加一定壓力，控制爐內(nèi)氧分壓，加熱至1 065 ℃，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 ℃ 并保溫一段時間，即可得到覆銅AlN 基板。

2   分析測試

使用島津拉力機(jī)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(qiáng)度，使用冷熱沖擊試驗(yàn)箱測試覆銅基板可靠性，最后對基板進(jìn)行功率循環(huán)測試和熱阻測試。

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)用貴金屬漿料測試方法 附著力測定》^[9]中的方法，通過剝離強(qiáng)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(qiáng)度。

圖1 不同金屬化方法制備覆銅陶瓷基板的剝離強(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(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(jìn)行預(yù)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(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)過程中玻璃軟化并與陶瓷基板潤濕產(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。

3.2 4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(jìn)行冷熱沖擊熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，條件為在-55 ℃ ~ 150 ℃，每個溫度保溫30 min，5 s 內(nèi)完成到155 ℃ 溫度轉(zhuǎn)換，循環(huán)次數(shù)為100、500、1 000、1 500 cycles。

表1 不同金屬化方法制備覆銅陶瓷基板的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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(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1 000 次冷熱循環(huán)后，剝離強(qiáng)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(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1 500 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(yīng)力形成而造成的AlN 陶瓷基板微裂紋產(chǎn)生^[6]。

表2 AlN與Cu熱膨脹系數(shù)對比

3.3 4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(jìn)行密封保護(hù)，恒定功率為1 200 A/3.3 kV、0~85 000 次循環(huán)測試，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 ℃，T_c 為循環(huán)后的溫度，相對熱阻R_r 由下式計(jì)算^[7]：

圖2 功率循環(huán)試驗(yàn)曲線

圖3 不同金屬化方法制備覆銅陶瓷基板IGBT模塊功率循環(huán)后的熱阻

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(nèi)，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(jié)束語

本文對比了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1 500 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(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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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）