IGBT模块中不同金属化方法覆铜氮化铝陶瓷基板的可靠性研究

摘要

针对氮化铝陶瓷基板的IGBT应用展开分析，着重对不同金属化方法制备的覆铜AlN基板进行可靠 性进行研究。通过对比厚膜法、薄膜法、直接覆铜法和活性金属钎焊法金属化AlN基板的剥离强度、热循 环、功率循环，分析结果可知，活性金属钎焊法制备的AlN覆铜基板优于其他工艺基板，剥离强度25 MPa， （-40 ~150）℃热循环达到1 500次，能耐1 200 A/3.3 kV功率循环测试7万次，满足IGBT模块对陶瓷基板可靠性需求。

在电力电子的应用中，大功率电力电子器件 IGBT 是实现能源控制与转换的核心，广泛应用于高速铁路、 智能电网、电动汽车与新能源装备等领域。随着 能量密度提高，功率器件对陶瓷覆铜基板的散热能力和 可靠性的要求越来越高。

目前的陶瓷基板材料主要有： Al₂O₃ 、ALN、Si₃N₄ 、BeO、SiC 等。其中 Al₂O₃ 陶 瓷开发最早，技术最为成熟，成本最低，应用最广泛， 但 Al₂O₃ 陶瓷的热导率仅为 17 ～ 25 W/(m·K)，且与 Si 及 GaAs 等半导体材料的热膨胀系数匹配性较差，限 制了其在高频、大功率、高集成电路中的使用。SiC 陶 瓷基板的热导率高，热膨胀系数与 Si 最为相近，但其 介电性能（εr = 42）较差，烧结损耗大、难以致密，成 本高，限制了其大批量应用。

Si₃N₄ 虽然强度、韧性高、 可靠性高，以其等优异的综合热力学性能成为较有前途 的大功率候选材料之一，但多晶 Si3N4 陶瓷在室温下的 热导率均较低，且关键技术都掌握在日本，限制了在国 内 Si₃N₄ 基板在 IGBT 组件中的应用。

BeO 的热导率虽 与 AlN 相当，但热膨胀系数过高，且 BeO 粉体有毒性， 吸入人体后会导致慢性铍肺病，世界上大多数国家早已 停止使用 BeO。相比而言，AlN 陶瓷基板具有高的导热 性（理论值 319 W/(m·K)) 与 Si 等半导体材料较匹配 的热导率、宽的操作温度（工作温度范围和耐高温方面） 和优良的绝缘性能，在大功率电力半导体模块、智能功 率组件、汽车电子、高密度封装载板和发光二极管（LED） 等方面有很好的发展前景，是先进集成电路陶瓷基板最 重要的材料之一。 

AlN 基板金属化技术主要有厚膜法（TFC）、薄膜 法（DPC）、直接覆铜法（DBC）及活性金属钎焊法（AMB） 等方法。本文着重开展以上 4 种金属化方法制备覆铜 AlN 基板的可靠性研究，为相应功率器件在我国高速铁 路、智能电网、电动汽车等领域的广泛应用积累基础实 验数据。 

使用厚度 1 mm 的 AlN 陶瓷基板(福建华清电 子 材 料 科 技 有 限 公 司 )， 无 氧 高 导 电 铜 箔 (OFHC，  0.05 mm，中国国药化学试剂有限公司 )，五水硫酸铜 （CuSO₄ ·5H₂O，中国国药化学试剂有限公司），盐酸（HCl， 中国国药化学试剂有限公司），硫酸（H₂SO₄ ，中国国药化学试剂有限公司），Cu-P 阳极板（P 含量 0.05%， 深圳市斗光电子科技公司），AgCuTi 活性金属焊膏（Ti 含量4.5%，长沙天九金属材料有限公司），烧结Cu浆（惠 州市腾辉科技有限公司）。将 AlN 陶瓷和铜箔切割为 尺寸 10 mm×10 mm 的正方形块状，并使用 1 000 目砂 纸打磨表面，然后在蒸馏水浴中超声清洗 20 min 备用。 

DPC 金属化：采用磁控溅射先在 AlN 陶瓷表面制 备厚约 1 μm 的 Ti 打底层，再制备一层厚约 3 μm 的 Cu 种子层。最后将该陶瓷基板置于电镀液（CuSO₄ ·5HO 200 g/L，H₂SO₄ 50 g/L，Cl- 60 μg/L）中电镀，使 Cu 层 增厚至约 50 μm，完成金属化。 

TFC 金属化：将铜浆料通过丝网印刷涂布在 AlN 陶瓷基板上，膜厚 50 μm，850 ℃ 真空烧结，得到 TFC 覆铜 AlN 基板。 

DBC 金属化：将 AlN 基板与 Cu 箔对齐装配后施加 一定压力，控制炉内氧分压，加热至 1 065 ℃，使得 Cu 箔表面的氧化物薄层与 AlN 基板表面氧化产生的 Al₂O₃ 反应生成 CuAlO₂ 化合物，并产生冶金结合。 

AMB 金 属 化： 在 AlN 表面涂布一层 AgCuTi 焊 膏，并覆上 Cu 箔，之后将样件置于真空环境中加热至 890℃ 并保温一段时间，即可得到覆铜 AlN 基板。 

使用岛津拉力机分别测试四种金属化方法制备的覆 铜 AlN 陶瓷基板的剥离强度，使用冷热冲击试验箱测 试覆铜基板可靠性，最后对基板进行功率循环测试和热 阻测试。 

3.1 不同金属化方法制备AlN覆铜基板的剥离强度

AlN 陶瓷金属化铜层与基板的结合力大小决定了其 在实际应用过程中的可靠与否，是陶瓷金属化基板的核 心性能指标。本文借鉴《微电子技术用贵金属浆料测试 方法 附着力测定》 中的方法，通过剥离强度测试金属 化层的附着力。图 1 是 DPC 金属化基板、TFC 金属化 基板、DBC 金属化基板和 AMB 金属化基板 Cu 层的剥离强度。

从图 1 可知，AMB 金属化陶瓷基板陶瓷与金属化 层结合力最好，剥离强度为 25 Mpa，接下来是 DBC 和 TFC 金属化陶瓷基板，剥离强度分别为 21 Mpa 和 15 Mpa，最差的是 DPC 金属化基板，剥离强度仅为 13 Mpa。 

对于 AMB 基板，由于中间有 1 层活性钎料，其中 的 Ti 元素对附着力起到关键因素，Ti 元素与 AlN 基板 反应生成 TiN，可以提升金属层的附着力。对于 DBC 基 板， 在 覆 铜 过 程 中 Cu 箔与微量氧气生成 Cu₂O， 而 Cu₂O 可以与金属 Cu 形成共晶组织。AlN 基板在 覆 Cu 箔之前通常需要对其进行预氧化处理，形成几个 μm 厚度的 Al₂O₃ 层，Cu₂O 与 Al₂O₃ 可以在高温下生成 CuAlO₂ 化合物，因此 AlN 基板与覆 Cu 层具有很好的 界面结合 。TFC 基板的附着力主要由浆料内部的玻璃 成分决定，高温烧结过程中玻璃软化并与陶瓷基板润湿 产生结合，此外软化的玻璃还可以锚接铜粉烧结形成的 金属化层，从而使金属化层与陶瓷基板牢固结合。对于 DPC 陶瓷基板，电镀 Cu 层与 AlN 基板之间仅有一层 Ti 薄膜层，该薄膜与陶瓷基板仅有物理结合，因此金属层 结合力最低。 

3.2 4种AlN基板可靠性测试（冷热冲击） 

对 4 种 AlN 覆铜基板循环进行冷热冲击热循环实 验，条件为在 -55 ℃ ~ 150 ℃，每个温度保温 30 min， 5 s 内完成到 155 ℃ 温度转换，循环次数为 100、500、1000、1 500 cycles。

从表 1 可知，AMB 法制备的 AlN 覆铜板耐热冲击 次数明显高于其他制备工艺。AlN 覆铜板耐热冲击主要 的失效模式为金属层剥离和 AlN 陶瓷基板开裂。 

对于 DPC 基板，在 200 次冷热循环后，金属层与 AlN 完全剥离，剥离强度为 0。AlN 厚膜覆铜板，在 500 次冷热循环后，金属层有局部剥离，剥离强度降为 20%。DBC 基板在 1 000 次冷热循环后，剥离强度降低 了 20%，但去除金属层，通过超声波扫描显微镜探测， 与铜结合边缘处 AlN 基板有微裂纹，这是由于金属 Cu 和 AlN 的热膨胀系数差别大，两者在高温急速降温过程 中，材料内部存在大量的热应力，而导致开裂。AMB 基板在 1 500 次冷热循环后，金属层剥离力无下降现象， 陶瓷表面无微裂纹。由于金属层与 AlN 陶瓷之间有刚 度较低的活性钎料过渡层，可以避免大量的热应力形成 而造成的 AlN 陶瓷基板微裂纹产生 。

3.3 4种AlN基板功率循环耐测试 

为了更好地评估 AlN 覆铜板耐久性和寿命，将 4 种 AlN 覆铜板以常规工艺封装成 IGBT 模块，用硅胶进行 密封保护，恒定功率为 1 200 A/3.3 kV、0~85 000 次循 环测试，验证 4 种 AlN 覆铜板 IGBT 模块的功率循环可 靠性。器件的起始温度 T0 设置为 45 ℃，Tc 为循环后的 温度，相对热阻 Rr 由下式计算 ：

从图 3 可知，AMB 陶瓷基板 IGBT 模块在 7 万次 功率循环后，模块温度为 50 ℃，相对热阻＜ 15%，满 足电力电子器件特别是高压、大电流 IGBT 模块可靠 性要求（相对热阻＜ 15%）。DBC 陶瓷基板 IGBT 模 块在 4 万次循环前，相对热阻保持在 15% 以内，超过 4 万次，模块温度逐渐增高，相对热阻（＞ 15%）超 出了可靠性要求。DPC 陶瓷基板在 1 万次相对热阻为 22%，器件受到破坏，在 3 万次循环后器件完全失效。 TFC 陶瓷基板在 2 万次循环后相对热阻为 33%，器件 受到破坏，4.5 万次循环后器件完全失效。 

本文对比了 4 种 AlN 基板的剥离强度、热循环可靠 性、模块功率循环可靠性。从对比可知，AlN-AMB 覆 铜板可靠性最好，剥离强度 25 MPa，-40~150 ℃ 热循 环达到 1 500 次，能耐 1200 A/3.3 kV 功率循环测试， 满足高压、大电流、高频 IGBT 模块封装对覆铜板的可 靠性要求。采用氮化铝基板进行功率负载的制备可有效 提高器件的耐功率能力。