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氮化硅-AMB基板研究進展


編輯:2023-03-02 14:35:55

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[1,2,3]。以往被廣泛使用的直接覆銅(Direct-Bonding-Copper,DBC)陶瓷基板是通過共晶鍵合法制備而成,銅和陶瓷之間沒有粘結材料,在高溫服役過程中,往往會因為銅和陶瓷(Al2O3AlN)之間的熱膨脹系數不同而產生較大的熱應力,從而導致銅層從陶瓷表面剝離,因此傳統的DBC陶瓷基板已經難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求[4,5]。

 

Si3N4-AMB覆銅基板則是利用活性金屬元素(Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf)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。通過活性金屬釬焊(Active-Metal-Brazing,AMB)工藝形成的銅/陶瓷界面粘結強度更高,且Si3N4陶瓷相比Al2O3AlN具備更優異的機械性能和良好的導熱性,因此Si3N4-AMB覆銅基板在高溫下的服役可靠性更強,是SiC器件封裝基板的******。

 

本文綜述了近年來Si3N4-AMB覆銅基板的研究現狀,主要包括業界較為關心的三大方面: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。

 

01Si3N4-AMB基板制備工藝

 

 

目前,Si3N4-AMB覆銅基板商業化生產的核心工藝幾乎被美國Rogers、德國Heraeus和日本Ferrotec等幾家國際大公司所壟斷,國內還尚未實現這一領域的商業化生產,僅僅開展了一些基礎的研究工作,積累了一定的經驗。據公開資料顯示,Si3N4-AMB覆銅基板的基本工藝流程如圖1所示,其中活性釬料的制備與活性金屬釬焊是目前的重點和難點。

 

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1 Si3N4-AMB覆銅基板生產工藝流程圖

 

1.1 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。圖2展示了不同溫度下用含Ti和含Zr釬料釬焊Si3N4的反應區厚度與反應時間的關系,可明顯看出Ti與Si3N4的界面反應更激烈,反應層厚度增加更快。
Tomsia[6]等人對比了Ag-Cu-Ti(1%~5%)活性釬料與Ag-Cu-Zr(1%~5%)活性釬料在AlN陶瓷和Al2O3陶瓷表面的潤濕性,結果發現Ti元素的加入更有助于釬料在陶瓷表面的潤濕。
Lee等人[7]研究了用CuX(X為Ti,V,Nb和Cr)合金釬焊SiC時的潤濕性和彎曲強度,發現CuCr合金在SiC上的潤濕性較好,但釬焊接頭強度過低,CuNb合金釬焊試樣的彎曲強度雖高,但潤濕角度高達60°,而CuTi合金釬焊試樣具備較為均衡的性能。
因此,Ti元素的活性較好,也是陶瓷金屬化過程中***常用的活性金屬元素。其中以Ti為活性元素的Ag-Cu-Ti系合金是學者研究***多、實際應用***為廣泛的一種活性釬料,其在800~950℃的溫度下可以潤濕大多數陶瓷表面,釬焊接頭強度高、性能穩定,從而可以較好地實現陶瓷和金屬、陶瓷和陶瓷的封接[8]。
1.2 Ag-Cu-Ti活性釬料的使用形式

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2 不同溫度下含Ti和含Zr釬料釬焊Si3N4的反應區厚度
Ag-Cu-Ti系活性釬料的使用形式隨Ti元素的形態、釬料的組合方式不同而有所不同[9]
1)預涂Ti粉(或TiH2)膏劑,然后加預成形焊片(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,而文獻[10][11]均指出釬料中Ti含量過高時,焊料層中會產生較多脆性的金屬間化合物而影響連接強度。
2)預先在陶瓷表面以PVD(物******相沉積)或CVD(化學氣相沉積)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致的工藝效率低、成本高的問題。
3)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、層狀復合法、機械合金法[12,13],Ag-Cu-Ti焊片雖具備使用便捷、污染小的優勢,但在制備過程中容易出現活性元素Ti的氧化和偏析的問題,導致合金變脆、成材率極低、焊接接頭性能較差,所以在國內尚未實現產業化。
4)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******,但在高真空中加熱時有大量有機物揮發,導致釬焊界面不致密,出現較多空洞,對后道的釬焊工藝要求更加嚴苛。
1.3 活性金屬釬焊
活性金屬釬焊法是上世紀就已經提出的一種用于陶瓷表面金屬化的方法,而Si3N4-AMB覆銅基板的制備正是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,形成銅-釬料-Si3N4-釬料-銅的結構?;钚越饘兮F焊是Si3N4-AMB基板制備工藝中***為重要的環節,常涉及公司核心機密問題,國內外鮮有介紹Si3N4-AMB制備工藝的文獻,本文僅簡略介紹部分公司在這一領域所公開的的研究成果。
文獻[14]中提到了一種熱壓活性釬焊法制備陶瓷覆銅板的方法,即在高溫真空釬焊過程中施加0~30MPa的壓力,制得了空洞率極低、拉拔力高的陶瓷覆銅板。
文獻[15]指出在Si3N4陶瓷表面依次形成Ti層、有機層和銅漿層后,在真空燒結過程中可以有效避免鈦層遷移到金屬層,所制得的金屬陶瓷基板導電率高、鍍覆附著性好、耐熱循環性高。

文獻[16]中為了改善基板在冷熱循環下銅層翹曲的問題,釬焊前在焊片和銅片之間貼附一層應力緩沖層(銅箔),使得銅箔和金屬銅層分子擴散焊后形成微孔區,該微孔區可有效釋放覆銅陶瓷基板在冷熱循環條件下產生的熱應力。
文獻[17]采用自制銀銅鈦焊膏印刷在銅箔表面,經過脫脂處理后與Si3N4陶瓷上下表面疊成三明治結構,并在真空包裝后進行高溫熱壓釬焊。該工藝對高溫釬焊設備的真空度要求較低,且所制得的Si3N4-AMB覆銅基板空洞率低、界面連接強度高。

02/Si3N4界面空洞

/Si3N4陶瓷界面的空洞率是表征基板質量的重要因素之一,也是目前國內Si3N4-AMB產品始終難以突破的瓶頸之一。
筆者團隊在銅/Si3N4陶瓷界面剝離強度測試中得到了如圖3所示的界面剝離強度曲線圖,高空洞率基板的測試曲線上下波動較大,對照基板空洞分布圖可知,界面剝離強度發生明顯下降的區域正是空洞分布集中的區域。美國Rogers公司官網的報告認為,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。fce80510a122f252c9a2458f3519926c.png
3 不同空洞率基板剝離強度曲線圖
2.1 空洞形成原因
Ag-Cu-Ti活性釬料(焊膏和焊片)為例,Si3N4-AMB界面空洞產生的原因主要有以下幾點:
1)原料表面質量:焊接前陶瓷、無氧銅及焊片表面的劃痕、凹坑、氧化、有機污染等問題都會對焊料的潤濕鋪展造成負面影響,為釬焊界面帶來了潛在的空洞風險。
2)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,往往要求真空度優于10-3Pa,若真空度無法滿足焊接要求導致Ti氧化失活,焊料無法潤濕Si3N4陶瓷表面造成大面積虛焊、漏焊的現象。
3)釬焊工藝參數: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與陶瓷表面的反應不夠充分,導致釬料無法完全潤濕陶瓷表面。
4)焊膏印刷質量:大面積焊膏印刷過程中,較易出現焊膏漏印、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域,就會直接導致空洞的形成。
5)焊膏放氣:釬焊過程中,焊膏中揮發出的氣體會被助焊劑包裹形成氣泡,此外助焊劑中的有機酸和金屬氧化物反應也會產生氣泡,隨著反應的進******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。
2.2 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陶瓷和銅片進行除油和除氧化處理、提供較高的真空釬焊環境是目前公知的降低界面空洞率的方法。
除此以外,張義政等人[18]以空洞率為指標,對原材料前處理、AMB工藝參數(焊接壓力和焊接溫度)進行全因子試驗設計(DOE)及方差分析,結果表明焊接壓力是空洞率***主要的影響因素,較大的釬焊壓力有助于減少釬焊界面的空洞率。
賈耀平[19]等人在功率芯片的真空共晶焊接中也提到焊接壓力與空洞率有密切關系,適當加壓不僅可以使母材與焊料形成緊密的接觸,有利于接觸反應熔化的進行,而且可以增強熔化焊料的流動性,擠出釬焊界面的氣體,從而降低空洞率。
曾嵩[20]等人在微波模塊焊接的實驗中發現,真空+氮氣的焊接氣氛比真空氣氛更有利于降低焊接空洞率,這對AMB工藝也有一定啟發作用,不過需要注意的是氮氣在高溫下可能會和Ti發生化學反應,其他惰性氣體(氦氣、氬氣等)可能更適用于AMB工藝。
上述降低空洞率的方法多針對焊片焊接工藝而言,國內外鮮有文獻介紹如何降低焊膏焊接過程的空洞率,但銀銅鈦焊膏仍是AMB工藝制備陶瓷覆銅板的主流選擇,其制備工藝簡單、成本低、易保存,國內已有多家廠商推出相關產品。
筆者團隊也研發了一款基于TiH2活性金屬粉末的Ag-Cu-Ti活性焊膏,并創新地提出了預脫脂的釬焊工藝。將焊膏印刷在Si3N4陶瓷的兩面,高溫釬焊前,在400~500℃的惰性氣氛中除去焊膏中的有機成分,在陶瓷表面留下致密的金屬粉末層,然后雙面覆銅,高溫真空釬焊。
試驗結果表明:經過預脫脂工藝處理,并施加一定的釬焊壓力,可以保證Si3N4-AMB(尺寸為138mm×190mm)覆銅基板空洞率穩定在0.2%以下,處于行業領先水平。
03高低溫沖擊可靠性

高低溫沖擊可靠性的表現是表征封裝基板可靠性的重要指標,尤其在SiC器件高工作溫度、高功率密度發展的背景下,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勢,這種優勢一方面源于氮化硅陶瓷本身優異的物理性能,另一方面則源于AMB工藝帶來的銅和Si3N4陶瓷更加穩定的結合力。
3.1 Si3N4陶瓷性能
1列出了三種常用陶瓷基板的主要性能參數。首先,熱導率是封裝基板***為重要的性能參數之一。目前商用氮化硅陶瓷板的熱導率基本在80~90Wm-1K-1之間,其導熱能力不如氮化鋁陶瓷,但余曉初等人在文獻[21]中指出,傳熱學中材料的熱阻通常表示為:R=L/(λA)-------------------------------------(1)式中:R為熱阻;L為材料在熱量通過方向的長度(或厚度);λ為材料的熱導率;A為材料在熱量通過方向的橫截面積。
1三種陶瓷材料的性能參數
9be6c7f1f46cdd0f4fa67b8bbe31e92e.png材料熱阻不僅和熱導率有關,也和L和A有關。假設氮化硅和氮化鋁基板的橫截面積相同,當氮化硅的厚度減小到氮化鋁一半時,熱阻便和氮化鋁一樣。并且因為氮化硅基板優異的斷裂韌性和抗彎強度(幾乎都是氮化鋁的兩倍),適當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率可以達到400W/(m.K)。
YouZ等人[22]就采用Si粉替代傳統Si3N4粉通過反應燒結已制備得到熱導率為177W/(m.K)的Si3N4陶瓷,表明氮化硅具備達到氮化鋁導熱水平的潛力。
同時,氮化硅強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******陶瓷材料。
3.2 Si3N4-AMB抗高低溫沖擊能力
余曉初等人[34]對比了Si3N4、AlN和Al2O3AMB基板(銅厚0.30mm/0.25mm)在-45~150℃高低溫循環沖擊次數,結果發現Si3N4-AMB分別是AlN-AMB、Al2O3-AMB的10倍和100倍,且失效程度更低。
楊春燕等人[23]發現Si3N4-AMB基板(Cu0.3mm/Si3N40.32mm/Cu0.3mm)在-65~150℃的條件下溫度循環500次后,樣品在100倍顯微鏡下并未發現裂紋、翹起、起皮等缺陷,而Al2O3-DBC基板在100次溫度沖擊后便在銅/陶瓷界面出現明顯裂紋。
MiyazakiH等人[24,25]對比了Si3N4-AMB基板和AlN-AMB基板冷熱沖擊期間(-40~250℃)產生的裂紋深度,發現前者的裂紋擴展速率遠低于后者,這也解釋了Si3N4-AMB基板的殘余彎曲強度退化現象較AlN-AMB基板更加緩慢的原因,且較薄的銅厚、更高導熱率和更高彎曲強度的Si3N4陶瓷可以減緩Si3N4-AMB基板殘余彎曲強度的退化,提高Si3N4-AMB基板的服役壽命。
此外,在調研國內外文獻過程中發現,國內在Si3N4-AMB高低溫沖擊測試實驗中往往設置高溫150℃,而國外則基本都是250℃,這是值得注意的一點,可能是因為部分功率模塊的******工作溫度早已突破200℃[26]。
3.3 銅層表面“橘皮現象”
金屬表面晶體發生單獨的離面位移導致金屬表面粗糙化的現象,被稱為“橘皮現象”。大量文獻表明,Si3N4-AMB覆銅基板在溫度沖擊過程中會產生明顯的“橘皮現象”,該現象與銅層的剝離、裂紋等缺陷有直接關系。
FukumotoA等人[27]研究發現,即使Si3N4-AMB覆銅基板在600次溫度沖擊后(-55-250℃),銅層也不會從Si3N4層上剝離。但是在溫度沖擊過程中銅層表面出現了明顯的表面粗糙化現象,其表面粗糙度隨著循環次數線性增加。文中分析認為銅和氮化硅之間的CTE失配引起的熱應力是表面粗糙化的******原因,熱致再結晶和晶界旋轉所造成的影響可以忽略不計。
FukudaS等人[28]Si3N4-AMB覆銅基板的溫度沖擊實驗中同樣發現了銅層表面的粗糙化現象,并針對這種現象作了更為詳細的分析:隨著冷熱沖擊次數的增加,銅和氮化硅之間的熱應力導致晶體應變傾向于在銅與氮化硅板結合的區域附近的銅層中累積,并在銅層的表面釋放,表現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。
此外,文獻[29]指出,銅的晶粒細化可能是防止Si3N4-AMB覆銅基板“橘皮現象”的有效措施,這對工業化生產具有一定的指導意義。
04結語

采用活性金屬釬焊技術制備的Si3N4-AMB覆銅基板導熱性好、強度高、性能穩定,是當下******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Si3N4-AMB覆銅基板的生產能力,而我國在這一領域的研發起步較晚,一些關鍵技術瓶頸尚未突破。
在活性釬料方面,Ag-Cu-Ti是目前使用***為廣泛的活性釬料,高質量的Ag-Cu-Ti焊片制備工藝難度大,而Ag-Cu-Ti焊膏在釬焊過程的“放氣”現象往往會導致界面空洞率較高,并影響分子泵的使用壽命;
在空洞率控制方面,高真空或高真空+惰性氣體的釬焊環境、預脫脂的釬焊工藝、適當的釬焊壓力、原材料的清洗都可以降低釬焊界面空洞率;
在高低溫沖擊可靠性方面,Si3N4AlN和Al2O3的性能更好、服役穩定性更強,且高導熱、高強度的Si3N4陶瓷及細晶銅可以顯著提高Si3N4-AMB覆銅基板抵抗高低溫沖擊的能力。
此外,Si3N4-AMB封裝基板的發展不僅需要解決活性釬料的制備、真空釬焊等工藝問題,高質量原材料的供應始終依賴進口也是國內Si3N4-AMB行業發展遲緩的原因之一。高導熱Si3N4陶瓷和高品質銅箔的國產化供應,將是Si3N4-AMB基板發展的動力源泉,建立從原材料供應開始到***終產品輸出的技術工藝路線和完整供應鏈,仍是國產Si3N4-AMB基板產業一直需要努力的目標。

參考文獻

[1] HASANUZZAMANM,ISLAMSK,TOLBERTLM,etal.TemperaturedependencyofMOSFETdevicecharacteristicsin4H-and6H-siliconcarbide(SiC)[J].SolidStateElectronics,2004,48(10-11):1877.

[2] 漆宇,李彥涌,胡家喜,等.SiC功率器件應用現狀及發展趨勢[J].大功率變流技術,2016,(5):1.

[3] 曹建武,羅寧勝,DELATTEP,等.碳化硅器件挑戰現有封裝技術[J].電子與封裝,2022(2):12.

[4] GAOS,YUKIS,OSANAIH,etal.Effectofsurfacerougheningoftemperature-cycledceramic-metal-bondedsubstratesonthermomechanicalreliabilityofsintered-silverjoints[J].IEEETransactionsonDevice&MaterialsReliability,2018(2):291.

[5] 李少鵬.新一代IGBT模塊用高可靠氮化硅陶瓷覆銅基板研究進展[J].電子工業專用設備,2019(1):1.

[6] TOMSIAAP,LOEHMANRE.Reactionsandmicrostructureatceramic/metalinterfaces[J].Titanium,1993(12):1.

[7] LEEHK,LEEJY.Astudyofthewetting,microstructureandbondstrengthinbrazingSiCbyCu-X(X=Ti,V,Nb,Cr)alloys[J].JournalofMaterialsScience,1996,31(15):4133.

[8] ZHANGY,CHENYK,YUDS,etal.Areviewpaperoneffectoftheweldingprocessofceramicsandmetals[J].JournalofMaterialsResearchandTechnology,2020(6):16214.

[9] 高隴橋.陶瓷-金屬材料實用封接技術[M].北京:化學工藝出版社,2011.

[10] 劉國化,魏明霞,高勤琴,等.AgCuTi活性釬料的研究進展[J].貴金屬,2020,41(S1):27.

[11] FERNANDEZJM,ASTHANAR,SINGHM,etal.ActivemetalbrazingofsiliconnitrideceramicsusingaCu-basedalloyandrefractorymetalinterlayers[J].CeramicsInternational,2016,42(4):5447.

[12] 毛明,黃斐.銀銅鈦活性釬料制備工藝的選擇[J].科技創新與應用,2016(1):120.

[13] 曹健,謝鳳春,馮吉才.機械合金化制備AgCuTiSn釬料[J].焊接,2010(4):30.

[14] 無錫天楊電子有限公司.一種熱壓活性釬焊法制備陶瓷覆銅板的方法:CN201910320507.8[P].2019-07-30.

[15] 浙江德匯電子陶瓷有限公司.金屬化陶瓷基板的制造方法及其制造的金屬化陶瓷基板:CN201610718823.7[P].2016-11-30.

[16] 江蘇富樂德半導體科技有限公司.一種覆銅陶瓷基板及其制備方法:CN202010927682.6[P].2021-01-01.

[17] 廣州先藝電子科技有限公司.一種活性金屬釬焊覆銅陶瓷基板的制備方法:CN202111580436.9[P].2022-01-21.

[18] 張義政,張崤君,張金利,等.Si3N4覆銅基板的界面空洞控制技術[J].半導體技術,2021,46(7):572.

[19] 賈耀平.功率芯片低空洞率真空共晶焊接工藝研究[J].中國科技信息,2013(8):125.

[20] 曾嵩,孫乎浩,王成,等.大面積基板焊接空洞率研究[J].電子工藝技術,2017,38(5):272.

[21] 余曉初,張輝,陸聰,等.氮化硅陶瓷覆銅基板制備及可靠性評估[J].硅酸鹽通報,2020,39(5):1614.

[22] YOUZ,HYUGAH,DAIK,etal.Atoughsiliconnitrideceramicwithhighthermalconductivity[J].AdvancedMaterials,2011,23(39):4563.

[23] 楊春燕,李留輝,郝沄,等.高導熱氮化硅覆銅板在功率器件中的應用可靠性[J].電子工藝技術,2022,43(1):18.

[24] MIYAZAKIH,IWAKIRIS,HIRAOK,etal.Effectofhightemperaturecyclingonbothcrackformationinceramicsanddelaminationofcopperlayersinsiliconnitrideactivemetalbrazingsubstrates[J].CeramicsInternational,2017,43(6):5080.

[25] MIYAZAKIH,IWAKIRIS,HIROTSURUH,etal.EffectofmechanicalpropertiesoftheceramicsubstrateonthethermalfatigueofCumetallizedceramicsubstrates[C]//2016IEEE18thElectronicsPackagingTechnologyConference(EPTC).Singapore:IEEE,2016.




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