电子工艺技术

来源高导热氮化硅覆铜板在功率器件中的应用可靠性

题目杨春燕，李留辉，郝沄，袁海

作者西安微电子技术研究所

单位摘要：采用活性金属钎焊技术制备Cu/Si3N4/Cu陶瓷覆铜板，在-65~℃温度条件下经历次温度循环后，基板无裂纹、翘起、起皮等缺陷。对基板进行微电子组装和可靠性试验，基板与芯片的焊接浸润性较好，焊接强度及长期可靠性满足标准要求。基板粘接元器件后无渗胶现象，且环境组考核合格。在基板上键合4种常用规格的铝丝，键合后和N环境中热存试验后的键合强度均符合标准要求。研究结果表明，高导热氮化硅覆铜板满足功率器件的高可靠性应用需求。关键词：陶瓷基板；氮化硅；活性金属钎焊；高可靠00引言随着我国高铁、航天、航空、军工等工业领域的快速发展，对大功率电力电子器件的需求越来越大。为了适应更加复杂苛刻的应用条件，大功率电力电子器件朝着高温、高频、低功耗以及智能化、模块化、系统化的方向发展，这对整个电子器件的散热性能提出了严峻的挑战。大功率器件通过陶瓷覆铜板实现与外界的热交换，通常使用氧化铝（AlO3）直接覆铜（DBC，DirectBondedCopper）的陶瓷基板。为了减小温度应力对高可靠产品的影响，一般只能选择较薄（如0.1mm）的覆铜层，但又存在了导体图形载流能力不足的问题。同时，氧化铝的热导率相对较低，约为4W/(m·K)，在通过较大电流时线路耐电流性能急剧下降，且功率模块的高集成化使热量更容易堆积，电路损耗增加，失效率大大提高。因此，以氧化铝DBC为代表的传统陶瓷板已经难以满足高温、大功率、高散热、高可靠性的封装要求。氮化硅（Si3N4）活性金属钎焊（AMB，ActiveMetalBrazing）陶瓷覆铜板因具有高可靠性、高散热性以及与芯片材料热膨胀系数匹配良好等特点，成为高温、大功率半导体电子器件的首选封装材料之一。但在实际应用中，氮化硅AMB陶瓷基板既要具备更强的载流能力，还必须能够承受较强的温度循环应力，同时还要与其他工艺兼容，其制备工艺成为保障大功率器件可靠性的重点和难点。本文首先通过建模和热学分析，从理论上预测氮化硅AMB覆铜板的应用可行性。再结合国内工艺条件，分析优化现有的大功率模块组装工艺流程，自主开发氮化硅AMB覆铜板并开展性能考核与评价。对组装后的器件按照国军标GJBB-和GJBB-的相关要求开展焊接、粘接、键合等组装应用与可靠性考核，确保批产工艺的适用性和稳定性。01试验过程采用AMB技术将氮化硅陶瓷基板与无氧铜连接，图1为氮化硅AMB覆铜板的制备工艺流程。首先将Ag、Cu、Ti元素直接以粉末形式混合制成浆料，采用丝网印刷技术将Ag-Cu-Ti焊料印刷在氮化硅陶瓷基板上，再利用热压技术将铜箔层压在焊料上，最后通过烧结、光刻、腐蚀及镀Ni工艺制备出符合要求的氮化硅AMB覆铜板。在AMB工艺中，利用Ti等过渡金属与Ag、Cu等元素形成合金焊料，具有很强的化学活性，能够与氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等发生反应，促使熔融焊料润湿陶瓷表面，完成氮化硅与无氧铜的连接。活性元素Ti与氮化硅陶瓷反应的主要产物是TiN和TiAl3。图1氮化硅AMB覆铜板制备工艺流程图采用活性金属钎焊技术制备氮化硅AMB覆铜板，中心氮化硅层的厚度取为30μm，最终制备的覆铜基板规格为Cu0.3mm/Si3N40.3mm/Cu0.3mm。在-65~℃的温度条件下对基板进行温度循环考核，通过观察微观形貌分析基板的失效模式。再对基板进行微电子组装，按照标准要求开展焊接、粘接及键合性能的可靠性验证。0结果与讨论.1热学分析当大功率器件的壳温达到允许的极限值（如15℃）时，内部最高温度会更高，必须使用高导热基板材料传热，同时需要合理布局、减小热阻，才能提高器件的可靠性。首先通过建模和热学分析，预测氮化硅AMB覆铜板的应用可行性，器件的组装模型如图所示，材料的热导率和厚度见表1。分析中采用三相桥输出电路，假定稳态下每个时刻只有一对功率管芯互补导通，且每个管芯的间距大于芯片到壳体的厚度。根据热量按45°扩散的原则，每个管芯的热传导可以单独计算，电路中最热点为功率管。表1芯片组装材料的热导率和厚度图功率器件组装模型在极限工作状态下，功率管的最大导通耗散功率Pmax为：Pmax=Iout×Vsat×（1）式中：Iout为电路极限输出电流；Vsat为芯片最大饱和压降。开关损耗功率Pf为：Pf=IU(tr+tf)/T（）式中：I为功率管工作电流；U为电压；tr、tf分别为电压上升、下降时间；T为开关周期。功率管的总耗散功率P为：P=Pmax+Pf（3）芯片到管壳之间的总热阻R为：R=RPbSn+RSi+RCu+RSi3N4（4）芯片结温与壳温之间的最大温差Tjc为：Tjc=R·P（5）由表1中参数可以计算得到氮化硅AMB覆铜板的热阻为0.0K/W，而氧化铝DBC的热阻为0.K/W。以某型器件设计为例，若使用氧化铝DBC覆铜板则电路在稳态条件下的芯片结温约为℃，基板替换为氮化硅AMB覆铜板后芯片结温可控制到80℃。按照军用半导体芯片的结温控制要求，使用氮化硅AMB覆铜板可明显降低芯片结温，器件可在更大功率或更加恶劣的温度环境下工作，适应性更强、可靠性更高。.温度循环试验按照GJBB-方法.1中条件C（-65~℃），对氮化硅AMB陶瓷覆铜板进行温度循环加速试验，考核基板的可靠性。温度循环次后，在倍显微镜下观察基板形貌。图3为次温度循环后的剖面形貌图，可见基板剖面完整，未出现裂纹、翘起、起皮等缺陷。相对应地，氧化铝DBC基板在温度循环次后，铜层与陶瓷界面即出现裂纹。以上结果表明AMB工艺制备的氮化硅陶瓷覆铜板在严苛的温度应力条件下可靠性明显更高，更适合应用于大功率器件。图3氮化硅AMB陶瓷覆铜板温循后的剖面形貌图.3焊接试验使用Sn63Pb35Ag焊料，将氮化硅AMB陶瓷覆铜板真空再流焊接在功率外壳上，对焊接后的电路进行X-ray检测，结果如图4所示。基板焊接空洞率小于5%，符合标准GJBB-要求，使用该工艺空洞率控制良好，有利于减小热阻，提高整个功率器件的散热性能。图4氮化硅AMB覆铜板组装电路的X-ray检测图焊接压力太小或不均匀会使芯片与焊料及基板之间产生孔隙或虚焊，因此在焊接芯片时需要优化焊接压力。在基板表面焊接芯片后进行剪切强度测试，测试后的形貌如图5所示。元器件的焊后剪切强度均合格，且芯片残留量大于50%，满足标准GJBB-要求。断裂模式均为芯片剪切断裂，未出现镀层撕裂或铜层与陶瓷分离的情况，表明铜层与镀层的结合力以及镀层与焊料的结合力较高，焊接性能可靠。图5氮化硅AMB基板表面焊接芯片后的剪切形貌图将元器件和基板组装后进行长期可靠性的环境组考核，考核试验流程为：热存(15℃、7d)→内部目检→温度循环次→内部目检→温度循环次→内部目检→元器件剪切强度测试→恒定加速度→内部目检→机械冲击→变频振动→内部目检。样品在15℃下热存7d后，元器件形貌均无异常；在-65~℃条件下进行次温度循环后，基板完好，无陶瓷开裂或铜层与陶瓷分离的情况。继续在-65~℃条件下次温度循环后目检观察，基板亦完好。对00次温度循环后的部分不同尺寸元器件进行剪切试压，结果均大于国军标要求。按照GJBB方法对00次温度循环后的部分元器件进行恒定加速度、机械冲击和变频振动试验，试验后基板均正常，高倍显微镜下检验无失效发生。而采用氧化铝DBC基板组装的器件在00次温度循环后会出现陶瓷与铜层脱落等严重失效现象。以上结果表明，使用氮化硅AMB陶瓷覆铜板组装的大功率器件可以通过最严苛的环境组考核试验，具有较高的长期运行可靠性。.4粘接试验在覆铜板的上层金属表面用导电胶84-1A和绝缘胶粘接芯片，粘接后进行℃/4h的固化。固化完成后进行外观目检，84-1A和粘接的芯片均未出现渗胶现象，如图6所示。图6氮化硅AMB覆铜板基片粘接芯片后的表面形貌图外观目检完成后，按照GJBB方法进行热冲击、温度循环、机械冲击、变频振动、恒定加速度等环境组考核，具体考核条件为：1)热冲击：方法.1，条件C，-65～℃，15次循环；)温度循环：方法.1，条件C，-65～℃，次循环，停留≥15min；3)机械冲击：方法00.1，条件B，Y1方向；4)变频振动：方法，条件A，Y1方向；5)恒定加速度：方法.1，条件B，Y1方向，00g。试验后首先进行外观目检，芯片未出现异常。随后对芯片进行室温剪切测试，测试值均大于标准值的倍。剪切试验后芯片在基板上的残余量均大于芯片面积的50%，表明基板的粘接性能可靠。.5键合强度试验在覆铜板组装电路中经常使用直径规格为80μm、17μm、50μm和μm的铝丝（硅铝丝），现使用这4种规格的铝丝对氮化硅AMB覆铜板进行试压，每种规格铝丝试压组，每组5根。键合丝试压结果如图7所示，外观均完好。图7氮化硅AMB覆铜板上铝丝键合图对压焊后的4种规格键合丝进行键合强度破坏试验，各选取5根按照标准GJBB-要求测量。之后将基板放置在N环境中完成在℃下1h的热存试验，另取相同数量的键合丝测量键合强度，结果如图8所示。可以看到，基板上压焊的引线在经历热存试验后键合强度会有明显的下降，但两种情况下的键合强度均远大于国军标考核要求。此外，在拉力破坏过程中键合丝失效均表现为断裂模式，无脱焊等现象发生，表明其键合强度满足复杂应力环境下的高可靠使用需求。图8键合引线压焊后与热存试验后的键合强度对比图03结论采用活性金属钎焊技术制备了规格为Cu0.3mm/Si3N40.3mm/Cu0.3mm的氮化硅AMB覆铜板，按照GJBB和GJBB标准的相关要求考核其机械、焊接、粘接及键合性能，并进行可靠性验证，结论如下：1）氮化硅AMB覆铜板在-65~℃的条件下温度循环次后，无裂纹、翘起、起皮等缺陷；）氮化硅AMB覆铜板与芯片的焊接浸润性较好，焊接强度及长期可靠性满足标准考核要求；3）在氮化硅AMB覆铜板上使用导电胶84-1A和绝缘胶粘接元器件后无渗胶现象，且按照GJBB方法的环境组考核后指标合格；4）使用直径为80μm、17μm、50μm和μm的铝丝在覆铜板上键合后，以及N环境中℃/1h热存试验后的键合强度结果均满足高可靠使用要求。

参考文献略

原文信息

doi:10./j.issn.1-.0.01.

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