摘要：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是實現電能轉換和控制的最先進的電力電子器件，大規模應用于電動汽車、電力機車、智能電網等領域。氮化鋁陶瓷覆銅板既具有陶瓷的高導熱性、高電絕緣性、高機械強度、低膨脹等特性，又具有無氧銅的高導電性和優異的焊接性能，是IGBT模塊封裝的關鍵基礎材料。本文采用直接覆銅工藝(DBC)和活性金屬焊接工藝(AMB)制備了氮化鋁陶瓷覆銅板，對比了兩種工藝的異同點和制備的氮化鋁陶瓷覆銅板的性能差異，并指出氮化硅陶瓷覆銅板有望在下一代功率模塊上廣泛應用。
關鍵詞：陶瓷覆銅板;陶瓷基板材料;銅金屬化;功率模塊
Research of High Reliability AlN Ceramic Bonding Copper Substrates Used in High Voltage Power Module
(Zhao Dongliang, SINOPACK，Shi Jiazhuang, 050051, China)
Abstract：IGBT is the most advanced high power devices in the field of power electronics, which could realize electrical power conversion and control. It could be applied in electric vehicles, electric locomotives and intelligent electric grid. Alumina nitride ceramic bonding copper substrate has high thermal conductivity, high electrical insulation, high mechanical strength, low expansion of ceramics, and also has the high conductivity and excellent welding performance of oxygen free copper. It is the indispensable key fundamental materials in the field of power module packaging. In this paper, alumina nitride ceramic bonding copper substrate were fabricated by direct bonding copper process (DBC) and active metal brazing process (AMB).The similarities and differences of two kinds of process and preparation is compared. Silicon nitride ceramic bonding copper substrate is expected to be widely used on the next generation of power module.
Key word：Ceramic bonding copper;IGBT; High Reliability; DBC; AMB
一、引言
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱絕緣柵雙極型晶體管，是實現電能轉換和控制的最先進的電力電子器件，具有輸入阻抗大、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區大和可耐高電壓和大電流等一系列優點，被譽為現代工業變流裝置的“CPU”，在軌道交通、航空航天、新能源汽車、風力發電、國防工業等戰略性產業廣泛應用。
隨著《中國制造2015》、《工業綠色發展專項行動實施方案》、《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》以及“特高壓規劃”等一系列的政策密集出臺，我國的高速鐵路、城市軌道交通、新能源汽車、智能電網和風能發電等項目成為未來幾年“綠色經濟”的熱點。而這些項目對于高壓大功率IGBT模塊的需求迫切且數量巨大。由于高壓大功率IGBT模塊技術門檻較高，難度較大，特別是要求封裝材料散熱性能更好、可靠性更高、載流量更大。但是國內相關技術水平落后導致國內高壓IGBT市場被歐、美、日等國家所壟斷，高壓IGBT產品價格高、交貨周期長、產能不足，嚴重限制了我國動力機車、電動汽車和新能源等領域的發展。
高壓大功率IGBT模塊所產生的熱量主要是通過陶瓷覆銅板傳導到外殼而散發出去的，因此陶瓷覆銅板是電力電子領域功率模塊封裝的不可或缺的關鍵基礎材料。它既具有陶瓷的高導熱性、高電絕緣性、高機械強度、低膨脹等特性，又具有無氧銅金屬的高導電性和優異的焊接性能，并能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形。陶瓷覆銅板集合了功率電子封裝材料所具有的各種優點：
1)陶瓷部分具有優良的導熱耐壓特性;
2)銅導體部分具有極高的載流能力;
3)金屬和陶瓷間具有較高的附著強度和可靠性;
4)便于刻蝕圖形，形成電路基板;
5)焊接性能優良，適用于鋁絲鍵合。
陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆銅板性能的決定因素。目前，已應用作為陶瓷覆銅板基板材料共有三種陶瓷，分別是氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板，表1列出了三種基板材料的性能。氧化鋁基陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，由于它具有好的絕緣性、好的化學穩定性、好的力學性能和低的價格，但由于氧化鋁陶瓷基片相對低的熱導率、與硅的熱膨脹系數匹配不好。作為高功率模塊封裝材料，氧化鋁材料的應用前景不容樂觀。
氮化鋁覆銅板在熱特性方面具有非常高的熱導率，散熱快;在應力方面，熱膨脹系數與硅接近，整個模塊內部應力較低，提高了高壓IGBT模塊的可靠性。這些優異的性能都使得氮化鋁覆銅板成為高壓IGBT模塊封裝的首選。本文研究了直接覆銅工藝(DBC)和活性金屬焊接工藝(AMB)制備氮化鋁陶瓷覆銅板的工藝方法，對比了兩種工藝的異同點和制備的氮化鋁陶瓷覆銅板的性能差異。
二、直接覆銅工藝(DBC)制備氮化鋁陶瓷覆銅板的研究
所謂的DBC技術，是指在在含氧的氮氣中以1063℃左右的高溫加熱，氧化鋁或氮化鋁陶瓷表面直接焊接上一層銅箔。其基本原理是：利用了銅與氧在燒結時形成的銅氧共晶液相(圖1)，潤濕相互接觸的兩個材料表面，即銅箔表面和陶瓷表面，同時還與氧化鋁反應生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等復合氧化物，充當共晶釬焊用的焊料，實現銅箔與陶瓷的牢固結合[]。但由于氮化鋁是一種非氧化物陶瓷，敷接銅箔的關鍵是使其表面形成氧化物過渡層，然后通過上述過渡層與Cu箔敷合實現AlN與Cu箔的敷合[]。其結構大致相同，如圖2所示。
基于上述基礎理論，我們系統研究了氮化鋁陶瓷表面氧化、無氧銅氧化以及直接覆銅等工藝，優化了工藝參數，制備出氮化鋁陶瓷覆銅板。采用X射線對樣品進行分析如圖3所示。可以看出，樣品內部沒有發現明顯空洞存在，特別是芯區無空洞，上下界面空洞含量均小于3%。將樣品切成10mm寬的長條預制切口，測試銅從陶瓷表面拉起的拉力，結果如圖4所示，樣品的剝離強度均大于60N/cm。
圖5為陶瓷與銅的界面微觀形貌。可以看出，陶瓷與銅界面結合緊密，而且結構致密。陶瓷晶粒大約為1-5μm，與銅之間存在8-10微米的過渡層。該過渡層結構致密，晶粒約為3-5μm，但是晶粒間存在不連貫的微裂紋。圖6為銅拉開后陶瓷表面形貌，可以看出，陶瓷表面致密，沒有氣孔存在。表面顆粒凹凸不平，可能是拉開時裂紋沿晶界擴展，部分顆粒在銅上部分顆粒在陶瓷上導致。
三 活性金屬焊接工藝(AMB)制備氮化鋁陶瓷覆銅板研究
活性焊銅工藝是DBC工藝技術的進一步發展，它是利用釬料中含有的少量活性元素與陶瓷反應生成能被液態釬料潤濕的反應層，從而實現陶瓷與金屬接合的一種方法。該工藝路線如圖7所示：先將陶瓷表面印刷活性金屬焊料而后與無氧銅裝夾后在真空釬焊爐中高溫焊接，覆接完畢基板采用類似于PCB板的濕法刻蝕工藝在表面制作電路，最后表面鍍覆制備出性能可靠的產品。AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進行化學反應來實現結合，因此其結合強度更高，可靠性更好。但是由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對于焊接的可靠性影響較大，只有日本幾家公司掌握了高可靠活性金屬焊接技術.
我們通過對不同焊料配方的優化，開發了適用于氮化鋁陶瓷活性焊接的氮化鋁陶瓷專用活性焊膏體系，該焊膏具有制備工藝簡單、印刷特性優良、與氮化鋁陶瓷潤濕性良好以及焊接后結合強度高的特點。
采用焊膏絲網印刷技術和真空焊接技術，實現了氮化鋁和銅的良好焊接，通過對焊接方法研究和優化，實現了氮化鋁和銅焊接強度和焊接界面的良好控制，界面空洞率小于1%，并固化了焊接工藝曲線。
AMB基板在壓焊時要求鍍層有較好的焊接性，在250℃下有較好的結合力，因此其表面需要進行鍍鎳處理。而AMB基板刻蝕出圖形后，表面有大量孤島，進行電鍍困難大而且鍍層厚度不均勻，因此化學鍍鎳無疑是最好的選擇。為了提高鍍鎳層的均勻性，采用化學鍍Ni-P技術來實現氮化鋁陶瓷覆銅基板的表面鍍鎳，通過對鍍液和鍍覆參數的優化，鎳層厚度可控制在3-5μm，均勻性可控制在±0.2μm。同時，對氮化鋁覆銅板的可鍵合性進行的工藝實驗，如圖11所示，鍵合推力均大于1700g，滿足高壓IGBT模塊的應用可靠性要求。
氮化鋁覆銅基板批溫度沖擊的可靠性是其性能的關鍵因素，要求氮化鋁覆銅基板在芯片焊接完成后，要能承受-40℃～+150℃,100次的溫度循環。我們對氮化鋁陶瓷覆銅基板開展了一系列優化，包括覆銅基板的設計優化和覆銅基板的工藝優化，最終完全達到了溫度循環可靠性要求。改善前后氮化鋁覆銅板經過溫度循環后焊接情況如圖12所示。
通過工藝攻關，我司自主開發了兩類氮化鋁陶瓷覆銅基板，其性能見表2。可以看出，AMB工藝相比于DBC工藝具有更高的可靠性和更好的綜合性能，而且我司生產的氮化鋁覆銅基板已與日本D公司生產的相關產品技術指標相當。
四、高壓IGBT模塊用陶瓷覆銅基板發展方向
以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體材料的出現，為器件性能的進一步大幅度提高提供了可能。針對SiC基/GaN基三代半導體器件高頻、高溫、大功率的應用需求，為實現大功率電力電子器件高密度三維模塊化封裝，需要開發可靠性更高、耐溫性能更好、載流能力更強的陶瓷覆銅基板。氮化硅陶瓷具有低的2.4倍于氧化鋁和氮化鋁的抗彎強度，因此具有比氮化鋁和氧化鋁高的多的可靠性，尤其是高強度可以實現其與厚銅基板的覆接，大幅提高基板的熱性能。相對于氮化鋁和氧化鋁，氮化硅陶瓷覆銅板在電流承載能力、散熱能力、力學性能、可靠性等方面均具有明顯優勢。同時，β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導率( 200~320W/m•K)，但是其微觀結構更為復雜，對聲子的散射較大，故熱導率較低[]，限制了其作為功率模塊基板材料的應用。因此，目前更多的研究關注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導率。高導熱陶瓷應具備以下條件：(1)平均原子量小;(2)原子鍵合強度高;(3)晶體結構較為簡單;(4)晶格非諧性振動低。提高氮化硅陶瓷熱導率的方法包括：(1)β-Si3N4相晶種的引入[][][];(2)燒結助劑的選擇;(3)成型工藝以及熱處理工藝[][][]。因此，在高功率IGBT模塊領域，氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無氧銅以及更高的可靠性在未來電動汽車用高可靠功率模塊中應用廣泛。圖8根據材料及工藝特性展示了陶瓷覆銅板的技術發展方向，在大功率功率模塊領域氮化鋁陶瓷覆銅板為主要發展方向，在高可靠功率模塊領域氮化硅陶瓷覆銅板為主要發展方向。
隨著我國戰略性新興產業的興起，電力電子技術在風能、太陽能、熱泵、水電、生物質能、綠色建筑、新能源裝備、電動汽車、軌道交通等先進制造業等重要領域都發揮著重要的作用，而這其中的許多領域在“十三五”規劃中都具備萬億以上的市場規模，其必將帶來電力電子技術及其產業的高速發展，迎來重大的發展機遇期。這些將對IGBT模塊封裝的關鍵材料---陶瓷覆銅板形成了巨大需求。因此，需要抓住機遇，開發系列化的陶瓷覆銅基板以適應不同領域的需求，特別是需要加快高可靠氮化鋁陶瓷覆銅基板、氮化硅陶瓷覆銅基板的研發及產業化進度，為我國高壓IGBT模塊的國產化奠定基礎。
[]許聽睿， 莊漢銳，李文蘭等.AlN陶瓷基板覆銅技術的研究[J].無機材料學報，2003,18(4):837-842
[]J. Jarrige, T. Joyeux, J.P. Lecompte, et al. Comparison between two processes using oxygen in the Cu/AlN bonding[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2007(27): 855–860
[]Haggerty J S, Light foot A. Opportunities for enhancing the thermal conductivities of SiC and Si3N4 ceramics through improved processing ceram[J]. Eng. Sci. Proc. , 1995, (16) : 475-487.
[]HirosakiN, Okamoto Y, AndoM, et al. Effect of grain growth on the thermal conductivity of silicon nitride[J]. J. Ceram. Soc. Japan, 1996,(104): 49-53.
[]徐鵬，楊建，丘泰. 輸出窗材料的研究進展[J].硅酸鹽通報,2007,(26):1158-1164.
[]Okamoto Y, HirosakiN, Ando M, et al. Effect of sintering additive composition on the thermal conductivity of silicon nitride[ J] . J. Mater. Res., 1998, (13):3473-3177.
[]Lee SW, ChaeH B, Park D S, et al. Thermal conductivity of unidirection ally oriented Si3N4w/Si3N4composites[J] . J. Mater. Sci., 2000, (35):4487-4493.
[]Yang L, Li J B, Yang X Z, et al. Effect of heattreatment on properties of silicon nitride with rare earth oxide addition[ J] . Chinese Journal of RareMetals, 2004,4(28): 609-612.
[]KitayamaM, Hirao K, ToryamaM, et al. Control of Si3N4crystalmorphology and Its mechanism (Part2):effect of lanthanide additives[J]. J.Ceram. Soc. Jpn, 1999,(107):995-1000.
