摘要：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的最先進(jìn)的電力電子器件，大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電力機(jī)車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。氮化鋁陶瓷覆銅板既具有陶瓷的高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，又具有無(wú)氧銅的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，是IGBT模塊封裝的關(guān)鍵基礎(chǔ)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(duì)比了兩種工藝的異同點(diǎn)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(yīng)用。
關(guān)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(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的最先進(jìn)的電力電子器件，具有輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區(qū)大和可耐高電壓和大電流等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)變流裝置的“CPU”，在軌道交通、航空航天、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、國(guó)防工業(yè)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用。
隨著《中國(guó)制造2015》、《工業(yè)綠色發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案》、《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》以及“特高壓規(guī)劃”等一系列的政策密集出臺(tái)，我國(guó)的高速鐵路、城市軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)和風(fēng)能發(fā)電等項(xiàng)目成為未來(lái)幾年“綠色經(jīng)濟(jì)”的熱點(diǎn)。而這些項(xiàng)目對(duì)于高壓大功率IGBT模塊的需求迫切且數(shù)量巨大。由于高壓大功率IGBT模塊技術(shù)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(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)水平落后導(dǎo)致國(guó)內(nèi)高壓IGBT市場(chǎng)被歐、美、日等國(guó)家所壟斷，高壓IGBT產(chǎn)品價(jià)格高、交貨周期長(zhǎng)、產(chǎn)能不足，嚴(yán)重限制了我國(guó)動(dòng)力機(jī)車、電動(dòng)汽車和新能源等領(lǐng)域的發(fā)展。
高壓大功率IGBT模塊所產(chǎn)生的熱量主要是通過(guò)陶瓷覆銅板傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去的，因此陶瓷覆銅板是電力電子領(lǐng)域功率模塊封裝的不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。它既具有陶瓷的高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，又具有無(wú)氧銅金屬的高導(dǎo)電性和優(yōu)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(yōu)點(diǎn)：
1)陶瓷部分具有優(yōu)良的導(dǎo)熱耐壓特性;
2)銅導(dǎo)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(qiáng)度和可靠性;
4)便于刻蝕圖形，形成電路基板;
5)焊接性能優(yōu)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(yīng)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(xué)穩(wěn)定性、好的力學(xué)性能和低的價(jià)格，但由于氧化鋁陶瓷基片相對(duì)低的熱導(dǎo)率、與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好。作為高功率模塊封裝材料，氧化鋁材料的應(yīng)用前景不容樂(lè)觀。
氮化鋁覆銅板在熱特性方面具有非常高的熱導(dǎo)率，散熱快;在應(yīng)力方面，熱膨脹系數(shù)與硅接近，整個(gè)模塊內(nèi)部應(yīng)力較低，提高了高壓IGBT模塊的可靠性。這些優(yōu)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(duì)比了兩種工藝的異同點(diǎn)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(shù)，是指在在含氧的氮?dú)庵幸?063℃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(jié)時(shí)形成的銅氧共晶液相(圖1)，潤(rùn)濕相互接觸的兩個(gè)材料表面，即銅箔表面和陶瓷表面，同時(shí)還與氧化鋁反應(yīng)生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等復(fù)合氧化物，充當(dāng)共晶釬焊用的焊料，實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷的牢固結(jié)合[]。但由于氮化鋁是一種非氧化物陶瓷，敷接銅箔的關(guān)鍵是使其表面形成氧化物過(guò)渡層，然后通過(guò)上述過(guò)渡層與Cu箔敷合實(shí)現(xiàn)AlN與Cu箔的敷合[]。其結(jié)構(gòu)大致相同，如圖2所示。
基于上述基礎(chǔ)理論，我們系統(tǒng)研究了氮化鋁陶瓷表面氧化、無(wú)氧銅氧化以及直接覆銅等工藝，優(yōu)化了工藝參數(shù)，制備出氮化鋁陶瓷覆銅板。采用X射線對(duì)樣品進(jìn)行分析如圖3所示。可以看出，樣品內(nèi)部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯空洞存在，特別是芯區(qū)無(wú)空洞，上下界面空洞含量均小于3%。將樣品切成10mm寬的長(zhǎng)條預(yù)制切口，測(cè)試銅從陶瓷表面拉起的拉力，結(jié)果如圖4所示，樣品的剝離強(qiáng)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(jié)合緊密，而且結(jié)構(gòu)致密。陶瓷晶粒大約為1-5μm，與銅之間存在8-10微米的過(guò)渡層。該過(guò)渡層結(jié)構(gòu)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(kāi)后陶瓷表面形貌，可以看出，陶瓷表面致密，沒(méi)有氣孔存在。表面顆粒凹凸不平，可能是拉開(kāi)時(shí)裂紋沿晶界擴(kuò)展，部分顆粒在銅上部分顆粒在陶瓷上導(dǎo)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(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它是利用釬料中含有的少量活性元素與陶瓷反應(yīng)生成能被液態(tài)釬料潤(rùn)濕的反應(yīng)層，從而實(shí)現(xiàn)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(wú)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(chǎn)品。AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)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(duì)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(shù).
我們通過(guò)對(duì)不同焊料配方的優(yōu)化，開(kāi)發(fā)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(jiǎn)單、印刷特性優(yōu)良、與氮化鋁陶瓷潤(rùn)濕性良好以及焊接后結(jié)合強(qiáng)度高的特點(diǎn)。
采用焊膏絲網(wǎng)印刷技術(shù)和真空焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和銅的良好焊接，通過(guò)對(duì)焊接方法研究和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和銅焊接強(qiáng)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(shí)要求鍍層有較好的焊接性，在250℃下有較好的結(jié)合力，因此其表面需要進(jìn)行鍍鎳處理。而AMB基板刻蝕出圖形后，表面有大量孤島，進(jìn)行電鍍困難大而且鍍層厚度不均勻，因此化學(xué)鍍鎳無(wú)疑是最好的選擇。為了提高鍍鎳層的均勻性，采用化學(xué)鍍Ni-P技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)氮化鋁陶瓷覆銅基板的表面鍍鎳，通過(guò)對(duì)鍍液和鍍覆參數(shù)的優(yōu)化，鎳層厚度可控制在3-5μm，均勻性可控制在±0.2μm。同時(shí)，對(duì)氮化鋁覆銅板的可鍵合性進(jìn)行的工藝實(shí)驗(yàn)，如圖11所示，鍵合推力均大于1700g，滿足高壓IGBT模塊的應(yīng)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(guān)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(huán)。我們對(duì)氮化鋁陶瓷覆銅基板開(kāi)展了一系列優(yōu)化，包括覆銅基板的設(shè)計(jì)優(yōu)化和覆銅基板的工藝優(yōu)化，最終完全達(dá)到了溫度循環(huán)可靠性要求。改善前后氮化鋁覆銅板經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)后焊接情況如圖12所示。
通過(guò)工藝攻關(guān)，我司自主開(kāi)發(fā)了兩類氮化鋁陶瓷覆銅基板，其性能見(jiàn)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(chǎn)的氮化鋁覆銅基板已與日本D公司生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)。
四、高壓IGBT模塊用陶瓷覆銅基板發(fā)展方向
以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，為器件性能的進(jìn)一步大幅度提高提供了可能。針對(duì)SiC基/GaN基三代半導(dǎo)體器件高頻、高溫、大功率的應(yīng)用需求，為實(shí)現(xiàn)大功率電力電子器件高密度三維模塊化封裝，需要開(kāi)發(fā)可靠性更高、耐溫性能更好、載流能力更強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)其與厚銅基板的覆接，大幅提高基板的熱性能。相對(duì)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(xué)性能、可靠性等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導(dǎo)率( 200~320W/m•K)，但是其微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)聲子的散射較大，故熱導(dǎo)率較低[]，限制了其作為功率模塊基板材料的應(yīng)用。因此，目前更多的研究關(guān)注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。高導(dǎo)熱陶瓷應(yīng)具備以下條件：(1)平均原子量小;(2)原子鍵合強(qiáng)度高;(3)晶體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單;(4)晶格非諧性振動(dòng)低。提高氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的方法包括：(1)β-Si3N4相晶種的引入[][][];(2)燒結(jié)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(lǐng)域，氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無(wú)氧銅以及更高的可靠性在未來(lái)電動(dòng)汽車用高可靠功率模塊中應(yīng)用廣泛。圖8根據(jù)材料及工藝特性展示了陶瓷覆銅板的技術(shù)發(fā)展方向，在大功率功率模塊領(lǐng)域氮化鋁陶瓷覆銅板為主要發(fā)展方向，在高可靠功率模塊領(lǐng)域氮化硅陶瓷覆銅板為主要發(fā)展方向。
隨著我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的興起，電力電子技術(shù)在風(fēng)能、太陽(yáng)能、熱泵、水電、生物質(zhì)能、綠色建筑、新能源裝備、電動(dòng)汽車、軌道交通等先進(jìn)制造業(yè)等重要領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，而這其中的許多領(lǐng)域在“十三五”規(guī)劃中都具備萬(wàn)億以上的市場(chǎng)規(guī)模，其必將帶來(lái)電力電子技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，迎來(lái)重大的發(fā)展機(jī)遇期。這些將對(duì)IGBT模塊封裝的關(guān)鍵材料---陶瓷覆銅板形成了巨大需求。因此，需要抓住機(jī)遇，開(kāi)發(fā)系列化的陶瓷覆銅基板以適應(yīng)不同領(lǐng)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(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度，為我國(guó)高壓IGBT模塊的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。
[]許聽(tīng)睿， 莊漢銳，李文蘭等.AlN陶瓷基板覆銅技術(shù)的研究[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，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(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào),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.
