Si3N4-AMB覆銅基板的研究熱點(diǎn)
發(fā)表時(shí)間：2023-08-22
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(duì)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覆銅基板是利用活性金屬元素(Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等)可以潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(huì)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(shí)，焊料層中會(huì)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(shì)，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(guó)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(duì)于銀銅鈦焊膏而言，其制備工藝成熟，簡(jiǎn)單高效，但在高真空中加熱時(shí)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(duì)后道的釬焊工藝要求更加嚴(yán)苛。
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(guó)內(nèi)Si3N4-AMB產(chǎn)品始終難以突破的瓶頸之一。美國(guó)Rogers公司官網(wǎng)的報(bào)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(huì)對(duì)焊料的潤(rùn)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(xiǎn)。
● 活性元素失活：Ag-Cu-Ti的活性元素Ti對(duì)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(rùn)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(rùn)濕Si3N4表面，若釬焊溫度過低或保溫時(shí)間過短，將會(huì)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(rùn)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)在焊膏表面留下密密麻麻的氣孔，而未排出的氣泡同樣會(huì)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(duì)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(dòng)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(duì)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?huì)和Ti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(shì)，這種優(yōu)勢(shì)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(huì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(dòng)并向晶面背面移動(dòng)，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。
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(jìng)爭(zhēng)力的SiC功率器件用封裝基板。全球目前只有幾家外國(guó)公司具備高品質(zhì)Si3N4-AMB覆銅基板的生產(chǎn)能力，而我國(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)化供應(yīng)，將是Si3N4-AMB基板發(fā)展的動(dòng)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(guó)產(chǎn)Si3N4-AMB基板產(chǎn)業(yè)一直需要努力
來源：中科聚智、廣州先藝電子科技有限公司
