對Si3N4-AMB覆銅基板較為關(guān)心的三大方面

隨著第三代SiC基功率模塊器件的功率密度和工作溫度不斷升高，器件對于封裝基板的散熱能力和可靠性也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的DBC陶瓷基板已經(jīng)難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求。

而通過活性金屬釬焊(AMB)工藝形成的銅/陶瓷界面粘結(jié)強(qiáng)度更高，且Si3N4陶瓷相比Al2O3和AlN具備更優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的導(dǎo)熱性，因此Si3N4-AMB覆銅基板在高溫下的服役可靠性更強(qiáng)，是SiC器件封裝基板的首選。

以下將淺析一下業(yè)界對Si3N4-AMB覆銅基板較為關(guān)心的三大方面：Si3N4-AMB覆銅基板的制備工藝、銅/氮化硅陶瓷界面的空洞率控制及基板的高低溫沖擊可靠性。

Si3N4-AMB基板制備工藝

Si3N4-AMB覆銅基板是利用活性金屬元素(Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等)可以潤濕陶瓷表面的特性，將銅層通過活性金屬釬料釬焊在Si3N4陶瓷板上。據(jù)公開資料顯示，Si3N4-AMB覆銅基板的制備中，活性釬料的制備與活性金屬釬焊是目前的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

Si3N4-AMB覆銅基板生產(chǎn)工藝流程圖

① 活性釬料的選擇

Ti、Zr、Hf、V、Nb等是常見的幾種活性金屬元素，可以浸潤陶瓷表面，被廣泛用于陶瓷與金屬的活性封接。其中以Ti為活性元素的Ag-Cu-Ti系合金是學(xué)者研究最多、實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的一種活性釬料，在800～950℃的溫度下可以潤濕大多數(shù)陶瓷表面，釬焊接頭強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，從而可以較好地實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬、陶瓷和陶瓷的封接。Ti元素的活性較好，也是陶瓷金屬化過程中最常用的活性金屬元素，更有助于釬料在陶瓷表面的潤濕。

② Ag-Cu-Ti活性釬料的使用形式

Ag-Cu-Ti系活性釬料的使用形式隨Ti元素的形態(tài)、釬料的組合方式不同而有所不同：

● 預(yù)涂Ti粉(或TiH2粉)膏劑，然后加預(yù)成形焊片(通常為Ag72Cu28合金焊片)。這種方法往往會難以控制Ti或TiH2在陶瓷表面均勻分布，且提供的Ti含量往往過高，而當(dāng)釬料中Ti含量過高時，焊料層中會產(chǎn)生較多脆性的金屬間化合物而影響連接強(qiáng)度。

● 預(yù)先在陶瓷表面以PVD或CVD鍍一層Ti薄膜，然后再加Ag-Cu釬料。該方案的問題在于Ti的氧化，以及陶瓷表面大面積金屬化所導(dǎo)致的工藝效率低、成本高的問題。

● 使用Ag-Cu-Ti焊片。其主要制備方法為熔煉軋制法、粉末冶金法、層狀復(fù)合法、機(jī)械合金法，Ag-Cu-Ti焊片雖具備使用便捷、污染小的優(yōu)勢，但在制備過程中容易出現(xiàn)活性元素Ti的氧化和偏析的問題，導(dǎo)致合金變脆、成材率極低、焊接接頭性能較差，所以在國內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

● 使用Ag-Cu-Ti焊膏。將Ag粉、Cu粉、Ti粉按所需比例混合，也可以用銀銅合金粉或銀包銅粉代替Ag粉、Cu粉，TiH2粉代替Ti粉，或者直接用Ag-Cu-Ti三元合金制備粉末，再添加溶劑、觸變劑、流平劑等有機(jī)成分配置成Ag-Cu-Ti焊膏。對于銀銅鈦焊膏而言，其制備工藝成熟，簡單高效，但在高真空中加熱時有大量有機(jī)物揮發(fā)，導(dǎo)致釬焊界面不致密，出現(xiàn)較多空洞，對后道的釬焊工藝要求更加嚴(yán)苛。

③ 活性金屬釬焊

活性金屬釬焊是Si3N4-AMB基板制備工藝中最為重要的環(huán)節(jié)。是在Si3N4-AMB覆銅基板的制備中，將活性金屬釬料涂敷在陶瓷和銅片之間，然后通過高溫真空釬焊工藝將銅片釬焊在Si3N4陶瓷的兩側(cè)，形成銅-釬料-Si3N4-釬料-銅的結(jié)構(gòu)。

銅/Si3N4界面空洞

銅/Si3N4陶瓷界面的空洞率是表征基板質(zhì)量的重要因素之一，也是目前國內(nèi)Si3N4-AMB產(chǎn)品始終難以突破的瓶頸之一。美國Rogers公司官網(wǎng)的報告認(rèn)為，在界面空洞的周邊存在著局部放電隱患，大大影響了基板的電氣性能，降低了基板的可靠性。因此，銅/陶瓷界面空洞的控制至關(guān)重要，良好的界面空洞率(趨于0%)能夠保證基板在高溫、大電流下的服役可靠性。

① 空洞形成原因

以Ag-Cu-Ti活性釬料(焊膏和焊片)為例，Si3N4-AMB界面空洞產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：

● 原料表面質(zhì)量：焊接前陶瓷、無氧銅及焊片表面的劃痕、凹坑、氧化、有機(jī)污染等問題都會對焊料的潤濕鋪展造成負(fù)面影響，為釬焊界面帶來了潛在的空洞風(fēng)險。

● 活性元素失活：Ag-Cu-Ti的活性元素Ti對氧十分敏感，高溫釬焊過程中，往往要求真空度優(yōu)于10-3Pa，若真空度無法滿足焊接要求導(dǎo)致Ti氧化失活，焊料無法潤濕Si3N4陶瓷表面造成大面積虛焊、漏焊的現(xiàn)象。

● 釬焊工藝參數(shù)：Ag-Cu-Ti活性釬料往往在800℃以上才能潤濕Si3N4表面，若釬焊溫度過低或保溫時間過短，將會使得Ti與陶瓷表面的反應(yīng)不夠充分，導(dǎo)致釬料無法完全潤濕陶瓷表面。

● 焊膏印刷質(zhì)量：大面積焊膏印刷過程中，較易出現(xiàn)焊膏漏印、印刷不均勻的問題，焊料熔化后一旦沒有鋪展覆蓋這些漏印區(qū)域，就會直接導(dǎo)致空洞的形成。

● 焊膏放氣：釬焊過程中，焊膏中揮發(fā)出的氣體會被助焊劑包裹形成氣泡，此外助焊劑中的有機(jī)酸和金屬氧化物反應(yīng)也會產(chǎn)生氣泡，隨著反應(yīng)的進(jìn)行氣泡逐漸變大，排出的氣泡會在焊膏表面留下密密麻麻的氣孔，而未排出的氣泡同樣會隨著焊料熔化凝固的過程滯留在釬焊界面處，形成空洞。

② 降低空洞率的措施

在通過AMB工藝制備氮化硅覆銅基板的過程中，對Si3N4陶瓷和銅片進(jìn)行除油和除氧化處理、提供較高的真空釬焊環(huán)境是目前公知的降低界面空洞率的方法。焊接壓力是空洞率最主要的影響因素，適當(dāng)加壓不僅可以使母材與焊料形成緊密的接觸，有利于接觸反應(yīng)熔化的進(jìn)行，而且可以增強(qiáng)熔化焊料的流動性，擠出釬焊界面的氣體，從而降低空洞率。

AMB氮化硅基板

此外，真空+氮?dú)獾暮附託夥毡日婵諝夥崭欣诮档秃附涌斩绰?，這對AMB工藝也有一定啟發(fā)作用，不過需要注意的是氮?dú)庠诟邷叵驴赡軙蚑i發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其他惰性氣體(氦氣、氬氣等)可能更適用于AMB工藝。

高低溫沖擊可靠性

高低溫沖擊可靠性的表現(xiàn)是表征封裝基板可靠性的重要指標(biāo)，尤其在SiC器件高工作溫度、高功率密度發(fā)展的背景下，基板的抗高低溫沖擊能力就顯得更為重要。Si3N4-AMB基板相比AlN-AMB基板及DBC基板，在可靠性方面具有明顯的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢一方面源于氮化硅陶瓷本身優(yōu)異的物理性能，另一方面則源于AMB工藝帶來的銅和Si3N4陶瓷更加穩(wěn)定的結(jié)合力。

① Si3N4陶瓷性能

首先，熱導(dǎo)率是封裝基板最為重要的性能參數(shù)之一。目前商用氮化硅陶瓷板的熱導(dǎo)率基本在80～90Wm-1K-1之間，其導(dǎo)熱能力不如氮化鋁陶瓷，但也有研究表明，在一定條件下，氮化硅具備達(dá)到氮化鋁導(dǎo)熱水平的潛力。且氮化硅基板優(yōu)異的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度(幾乎都是氮化鋁的兩倍)，適當(dāng)降低氮化硅陶瓷基板厚度并不會影響其服役可靠性。此外，單晶氮化硅的理論熱導(dǎo)率可以達(dá)到400W/(m.K)。

同時，氮化硅強(qiáng)大的電流承載能力也可以很好地匹配大電流功率器件模塊對于封裝基板的需求，相比氮化鋁和氧化鋁，氮化硅無疑是高可靠性AMB基板的首選陶瓷材料。

② Si3N4-AMB抗高低溫沖擊能力

對比Si3N4、AlN和Al2O3的AMB基板在-45～150℃高低溫循環(huán)沖擊次數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Si3N4-AMB分別是AlN-AMB、Al2O3-AMB的10倍和100倍，且失效程度更低。

對比Si3N4-AMB基板和AlN-AMB基板冷熱沖擊期間(-40～250℃)產(chǎn)生的裂紋深度，發(fā)現(xiàn)前者的裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)低于后者，這也解釋了Si3N4-AMB基板的殘余彎曲強(qiáng)度退化現(xiàn)象較AlN-AMB基板更加緩慢的原因，且較薄的銅厚、更高導(dǎo)熱率和更高彎曲強(qiáng)度的Si3N4陶瓷可以減緩Si3N4-AMB基板殘余彎曲強(qiáng)度的退化，提高Si3N4-AMB基板的服役壽命。

③ 銅層表面“橘皮現(xiàn)象”

金屬表面晶體發(fā)生單獨(dú)的離面位移導(dǎo)致金屬表面粗糙化的現(xiàn)象，被稱為“橘皮現(xiàn)象”。大量文獻(xiàn)表明，Si3N4-AMB覆銅基板在溫度沖擊過程中會產(chǎn)生明顯的“橘皮現(xiàn)象”，該現(xiàn)象與銅層的剝離、裂紋等缺陷有直接關(guān)系。

隨著冷熱沖擊次數(shù)的增加，銅和氮化硅之間的熱應(yīng)力導(dǎo)致晶體應(yīng)變傾向于在銅與氮化硅板結(jié)合的區(qū)域附近的銅層中累積，并在銅層的表面釋放，表現(xiàn)為銅晶粒沿晶界滑動并向晶面背面移動，從而引起離面位移，而銅晶粒的離面位移是表面粗糙化的直接原因。因此，銅的晶粒細(xì)化可能是防止Si3N4-AMB覆銅基板“橘皮現(xiàn)象”的有效措施。

小 結(jié)

采用活性金屬釬焊技術(shù)制備的Si3N4-AMB覆銅基板導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，是當(dāng)下最具競爭力的SiC功率器件用封裝基板。全球目前只有幾家外國公司具備高品質(zhì)Si3N4-AMB覆銅基板的生產(chǎn)能力，而我國在這一領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚，一些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸尚未突破。

此外，Si3N4-AMB封裝基板的高質(zhì)量原材料的供應(yīng)始終依賴進(jìn)口也是國內(nèi)Si3N4-AMB行業(yè)發(fā)展遲緩的原因之一。高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷和高品質(zhì)銅箔的國產(chǎn)化供應(yīng)，將是Si3N4-AMB基板發(fā)展的動力源泉，建立從原材料供應(yīng)開始到最終產(chǎn)品輸出的技術(shù)工藝路線和完整供應(yīng)鏈，仍是國產(chǎn)Si3N4-AMB基板產(chǎn)業(yè)一直需要努力的目標(biāo)。

審核編輯：劉清