摘要

針對(duì)氮化鋁陶瓷基板的IGBT應(yīng)用展開(kāi)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1 500次，能耐1 200 A/3.3 kV功率循環(huán)測(cè)試7萬(wàn)次，滿(mǎn)足IGBT模塊對(duì)陶瓷基板可靠性需求。

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(chē)與新能源裝備等領(lǐng)域。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。其中 Al₂O₃ 陶 瓷開(kāi)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(chē)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(kāi)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(chē)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用積累基礎(chǔ)實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)。 

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（H₂SO₄ ，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 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(guò)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(duì)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(shí)間，即可得到覆銅 AlN 基板。 

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。 

3.1 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》 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 。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。 

3.2 4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、1 500 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(kāi)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 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(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(kāi)裂。AMB 基板在 1 500 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 。

3.3 4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 1 200 A/3.3 kV、0~85 000 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 ：

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(mǎn) 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?xún)?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。 

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 1 500 次，能耐 1200 A/3.3 kV 功率循環(huán)測(cè)試， 滿(mǎn)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。