氮化鋁陶瓷基板在IGBT模塊的深度研究

電動(dòng)汽車(chē)、電力機(jī)車(chē)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域需要實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)作為電力電子器件。氮化鋁陶瓷覆銅板既具有陶瓷的高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，又具有無(wú)氧銅的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，是IGBT模塊封裝的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。本文采用直接覆銅工藝(DBC)和活性金屬焊接工藝(AMB)制備了氮化鋁陶瓷覆銅板，對(duì)比了兩種工藝的異同點(diǎn)和制備的氮化鋁陶瓷覆銅板的性能差異，并指出氮化硅陶瓷覆銅板有望在下一代功率模塊上廣泛應(yīng)用。

IGBT作為電力電氣功率器件的背景

隨著《中國(guó)制造2015》、《工業(yè)綠色發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案》、《關(guān)于加快新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》以及“特高壓規(guī)劃”等一系列的政策密集出臺(tái)，我國(guó)的高速鐵路、城市軌道交通、新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)和風(fēng)能發(fā)電等項(xiàng)目成為未來(lái)幾年“綠色經(jīng)濟(jì)”的熱點(diǎn)。而這些項(xiàng)目對(duì)于高壓大功率IGBT模塊的需求迫切且數(shù)量巨大。由于高壓大功率IGBT模塊技術(shù)門(mén)檻較高，難度較大，特別是要求封裝材料散熱性能更好、可靠性更高、載流量更大。但是國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)水平落后導(dǎo)致國(guó)內(nèi)高壓IGBT市場(chǎng)被歐、美、日等國(guó)家所壟斷，高壓IGBT產(chǎn)品價(jià)格高、交貨周期長(zhǎng)、產(chǎn)能不足，嚴(yán)重限制了我國(guó)動(dòng)力機(jī)車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)和新能源等領(lǐng)域的發(fā)展。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱絕緣柵雙極型晶體管，是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的最先進(jìn)的電力電子器件，具有輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區(qū)大和可耐高電壓和大電流等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)變流裝置的“CPU”，在軌道交通、航空航天、新能源汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、國(guó)防工業(yè)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用。

一，氮化鋁陶瓷覆銅基板的散熱熱度和原理

高壓大功率IGBT模塊所產(chǎn)生的熱量主要是通過(guò)陶瓷覆銅板傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去的，因此陶瓷覆銅板是電力電子領(lǐng)域功率模塊封裝的不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。它既具有陶瓷的高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，又具有無(wú)氧銅金屬的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，并能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形。陶瓷覆銅板集合了功率電子封裝材料所具有的各種優(yōu)點(diǎn)：

　　1)陶瓷部分具有優(yōu)良的導(dǎo)熱耐壓特性;

　　2)銅導(dǎo)體部分具有極高的載流能力;

　　3)金屬和陶瓷間具有較高的附著強(qiáng)度和可靠性;

　　4)便于刻蝕圖形，形成電路基板;

5)焊接性能優(yōu)良，適用于鋁絲鍵合。

氮化鋁覆銅板在熱特性方面具有非常高的熱導(dǎo)率，散熱快;在應(yīng)力方面，熱膨脹系數(shù)與硅接近，整個(gè)模塊內(nèi)部應(yīng)力較低，提高了高壓IGBT模塊的可靠性。這些優(yōu)異的性能都使得氮化鋁覆銅板成為高壓IGBT模塊封裝的首選。本文研究了直接覆銅工藝(DBC)和活性金屬焊接工藝(AMB)制備氮化鋁陶瓷覆銅板的工藝方法，對(duì)比了兩種工藝的異同點(diǎn)和制備的氮化鋁陶瓷覆銅板的性能差異。

二、采用直接覆銅工藝(DBC)制備氮化鋁陶瓷覆銅板

所謂的DBC技術(shù)，是指在在含氧的氮?dú)庵幸?063℃左右的高溫加熱，氧化鋁或氮化鋁陶瓷表面直接焊接上一層銅箔。其基本原理是：利用了銅與氧在燒結(jié)時(shí)形成的銅氧共晶液相，潤(rùn)濕相互接觸的兩個(gè)材料表面，即銅箔表面和陶瓷表面，同時(shí)還與氧化鋁反應(yīng)生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等復(fù)合氧化物，充當(dāng)共晶釬焊用的焊料，實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷的牢固結(jié)合[]。但由于氮化鋁是一種非氧化物陶瓷，敷接銅箔的關(guān)鍵是使其表面形成氧化物過(guò)渡層，然后通過(guò)上述過(guò)渡層與Cu箔敷合實(shí)現(xiàn)AlN與Cu箔的敷合。

基于上述基礎(chǔ)理論，我們系統(tǒng)研究了氮化鋁陶瓷表面氧化、無(wú)氧銅氧化以及直接覆銅等工藝，優(yōu)化了工藝參數(shù)，制備出氮化鋁陶瓷覆銅板。樣品內(nèi)部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯空洞存在，特別是芯區(qū)無(wú)空洞，上下界面空洞含量均小于3%。將樣品切成10mm寬的長(zhǎng)條預(yù)制切口，測(cè)試銅從陶瓷表面拉起的拉力，樣品的剝離強(qiáng)度均大于60N/cm。

陶瓷與銅界面結(jié)合緊密，而且結(jié)構(gòu)致密。陶瓷晶粒大約為1-5μm，與銅之間存在8-10微米的過(guò)渡層。該過(guò)渡層結(jié)構(gòu)致密，晶粒約為3-5μm，但是晶粒間存在不連貫的微裂紋。陶瓷表面致密，沒(méi)有氣孔存在。表面顆粒凹凸不平，可能是拉開(kāi)時(shí)裂紋沿晶界擴(kuò)展，部分顆粒在銅上部分顆粒在陶瓷上導(dǎo)致。

三，采用活性金屬焊接工藝(AMB)制備氮化鋁陶瓷覆銅基板

活性焊銅工藝是DBC工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它是利用釬料中含有的少量活性元素與陶瓷反應(yīng)生成能被液態(tài)釬料潤(rùn)濕的反應(yīng)層，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬接合的一種方法。先將陶瓷表面印刷活性金屬焊料而后與無(wú)氧銅裝夾后在真空釬焊爐中高溫焊接，覆接完畢基板采用類似于PCB板的濕法刻蝕工藝在表面制作電路，最后表面鍍覆制備出性能可靠的產(chǎn)品。AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)度更高，可靠性更好。但是由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對(duì)于焊接的可靠性影響較大，只有日本幾家公司掌握了高可靠活性金屬焊接技術(shù).

我們通過(guò)對(duì)不同焊料配方的優(yōu)化，開(kāi)發(fā)了適用于氮化鋁陶瓷活性焊接的氮化鋁陶瓷專用活性焊膏體系，該焊膏具有制備工藝簡(jiǎn)單、印刷特性優(yōu)良、與氮化鋁陶瓷潤(rùn)濕性良好以及焊接后結(jié)合強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

采用焊膏絲網(wǎng)印刷技術(shù)和真空焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和銅的良好焊接，通過(guò)對(duì)焊接方法研究和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和銅焊接強(qiáng)度和焊接界面的良好控制，界面空洞率小于1%，并固化了焊接工藝曲線。

AMB基板在壓焊時(shí)要求鍍層有較好的焊接性，在250℃下有較好的結(jié)合力，因此其表面需要進(jìn)行鍍鎳處理。而AMB基板刻蝕出圖形后，表面有大量孤島，進(jìn)行電鍍困難大而且鍍層厚度不均勻，因此化學(xué)鍍鎳無(wú)疑是最好的選擇。為了提高鍍鎳層的均勻性，采用化學(xué)鍍Ni-P技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)氮化鋁陶瓷覆銅基板的表面鍍鎳，通過(guò)對(duì)鍍液和鍍覆參數(shù)的優(yōu)化，鎳層厚度可控制在3-5μm，均勻性可控制在±0.2μm。同時(shí)，對(duì)氮化鋁覆銅板的可鍵合性進(jìn)行的工藝實(shí)驗(yàn)，鍵合推力均大于1700g，滿足高壓IGBT模塊的應(yīng)用可靠性要求。

氮化鋁覆銅基板批溫度沖擊的可靠性是其性能的關(guān)鍵因素，要求氮化鋁覆銅基板在芯片焊接完成后，要能承受-40℃～+150℃,100次的溫度循環(huán)。我們對(duì)氮化鋁陶瓷覆銅基板開(kāi)展了一系列優(yōu)化，包括覆銅基板的設(shè)計(jì)優(yōu)化和覆銅基板的工藝優(yōu)化，最終完全達(dá)到了溫度循環(huán)可靠性要求。

通過(guò)工藝攻關(guān)，我司自主開(kāi)發(fā)了兩類氮化鋁陶瓷覆銅基板，可以得出，AMB工藝相比于DBC工藝具有更高的可靠性和更好的綜合性能，而且我司生產(chǎn)的氮化鋁覆銅基板已與日本公司生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)。

四，高壓IGBT模塊用陶瓷覆銅基板發(fā)展方向

以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，為器件性能的進(jìn)一步大幅度提高提供了可能。針對(duì)SiC基/GaN基三代半導(dǎo)體器件高頻、高溫、大功率的應(yīng)用需求，為實(shí)現(xiàn)大功率電力電子器件高密度三維模塊化封裝，需要開(kāi)發(fā)可靠性更高、耐溫性能更好、載流能力更強(qiáng)的陶瓷覆銅基板。氮化硅陶瓷具有低的2.4倍于氧化鋁和氮化鋁的抗彎強(qiáng)度，因此具有比氮化鋁和氧化鋁高的多的可靠性，尤其是高強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)其與厚銅基板的覆接，大幅提高基板的熱性能。相對(duì)于氮化鋁和氧化鋁，氮化硅陶瓷覆銅板在電流承載能力、散熱能力、力學(xué)性能、可靠性等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導(dǎo)率( 200~320W/m·K)，但是其微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)聲子的散射較大，故熱導(dǎo)率較低[]，限制了其作為功率模塊基板材料的應(yīng)用。因此，目前更多的研究關(guān)注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。高導(dǎo)熱陶瓷應(yīng)具備以下條件：(1)平均原子量小;(2)原子鍵合強(qiáng)度高;(3)晶體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單;(4)晶格非諧性振動(dòng)低。提高氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的方法包括：(1)β-Si3N4相晶種的引入;(2)燒結(jié)助劑的選擇;(3)成型工藝以及熱處理工藝。因此，在高功率IGBT模塊領(lǐng)域，氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無(wú)氧銅以及更高的可靠性在未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)用高可靠功率模塊中應(yīng)用廣泛。根據(jù)材料及工藝特性展示了陶瓷覆銅板的技術(shù)發(fā)展方向，在大功率功率模塊領(lǐng)域氮化鋁陶瓷覆銅板為主要發(fā)展方向，在高可靠功率模塊領(lǐng)域氮化硅陶瓷覆銅板為主要發(fā)展方向。

隨著我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的興起，電力電子技術(shù)在風(fēng)能、太陽(yáng)能、熱泵、水電、生物質(zhì)能、綠色建筑、新能源裝備、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通等先進(jìn)制造業(yè)等重要領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，而這其中的許多領(lǐng)域在“十三五”規(guī)劃中都具備萬(wàn)億以上的市場(chǎng)規(guī)模，其必將帶來(lái)電力電子技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，迎來(lái)重大的發(fā)展機(jī)遇期。這些將對(duì)IGBT模塊封裝的關(guān)鍵材料---陶瓷覆銅板形成了巨大需求。因此，需要抓住機(jī)遇，開(kāi)發(fā)系列化的陶瓷覆銅基板以適應(yīng)不同領(lǐng)域的需求，特別是需要加快高可靠氮化鋁陶瓷覆銅基板、氮化硅陶瓷覆銅基板的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度，為我國(guó)高壓IGBT模塊的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

氮化鋁陶瓷基板在IGBT模塊應(yīng)用很受青睞。金瑞欣特種電路是專業(yè)的陶瓷電路板廠家，主營(yíng)氧化鋁陶瓷基電路板、氮化鋁陶瓷基電路板、氮化硅陶瓷基電路板等的制作，十多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，多種工藝制作，可以承接難度板歡迎咨詢。