氮化硅(Si3N4)-AMB基板最新研究進展

       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(jié)材料，在高溫服役過程中，往往會因為銅和陶瓷(Al2O3或AlN)之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致銅層從陶瓷表面剝離，因此傳統(tǒng)的DBC陶瓷基板已經(jīng)難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求[4,5]。

而Si3N4-AMB覆銅基板則是利用活性金屬元素(Ti、Zr、Ta、Nb、V、Hf等)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(jié)強度更高，且Si3N4陶瓷相比Al2O3和AlN具備更優(yōu)異的機械性能和良好的導(dǎo)熱性，因此Si3N4-AMB覆銅基板在高溫下的服役可靠性更強，是SiC器件封裝基板的首選。

綜述了近年來Si3N4-AMB覆銅基板的研究現(xiàn)狀，主要包括業(yè)界較為關(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。

一，Si3N4-AMB基板制備工藝

目前，Si3N4-AMB覆銅基板商業(yè)化生產(chǎn)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(nèi)還尚未實現(xiàn)這一領(lǐng)域的商業(yè)化生產(chǎn)，僅僅開展了一些基礎(chǔ)的研究工作，積累了一定的經(jīng)驗。據(jù)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。

圖1 Si3N4-AMB覆銅基板生產(chǎn)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(yīng)區(qū)厚度與反應(yīng)時間的關(guān)系，可明顯看出Ti與Si3N4的界面反應(yīng)更激烈，反應(yīng)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(jié)果發(fā)現(xiàn)Ti元素的加入更有助于釬料在陶瓷表面的潤濕。

Lee等人研究了用CuX(X為Ti，V，Nb和Cr)合金釬焊SiC時的潤濕性和彎曲強度，發(fā)現(xiàn)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最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(xué)者研究最多、實際應(yīng)用最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(shù)陶瓷表面，釬焊接頭強度高、性能穩(wěn)定，從而可以較好地實現(xiàn)陶瓷和金屬、陶瓷和陶瓷的封接。

1.2 Ag-Cu-Ti活性釬料的使用形式

                                          圖2 不同溫度下含Ti和含Zr釬料釬焊Si3N4的反應(yīng)區(qū)厚度

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[9]：

1)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]和[11]均指出釬料中Ti含量過高時，焊料層中會產(chǎn)生較多脆性的金屬間化合物而影響連接強度。

2)預(yù)先在陶瓷表面以PVD(物理氣相沉積)或CVD(化學(xué)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(dǎo)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(fù)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(yōu)勢，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，所以在國內(nèi)尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)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，簡單高效，但在高真空中加熱時有大量有機物揮發(fā)，導(dǎo)致釬焊界面不致密，出現(xiàn)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(jīng)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(cè)，形成銅-釬料-Si3N4-釬料-銅的結(jié)構(gòu)?；钚越饘兮F焊是Si3N4-AMB基板制備工藝中最為重要的環(huán)節(jié)，常涉及公司核心機密問題，國內(nèi)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(lǐng)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(jié)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(dǎo)電率高、鍍覆附著性好、耐熱循環(huán)性高。

文獻[16]中為了改善基板在冷熱循環(huán)下銅層翹曲的問題，釬焊前在焊片和銅片之間貼附一層應(yīng)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(qū)，該微孔區(qū)可有效釋放覆銅陶瓷基板在冷熱循環(huán)條件下產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

文獻[17]采用自制銀銅鈦焊膏印刷在銅箔表面，經(jīng)過脫脂處理后與Si3N4陶瓷上下表面疊成三明治結(jié)構(gòu)，并在真空包裝后進行高溫?zé)釅衡F焊。該工藝對高溫釬焊設(shè)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。

二， 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，也是目前國內(nèi)Si3N4-AMB產(chǎn)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(fā)生明顯下降的區(qū)域正是空洞分布集中的區(qū)域。美國Rogers公司官網(wǎng)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(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。

                         圖3 不同空洞率基板剝離強度曲線圖

2.1 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：

1)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(fēng)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(yōu)于10-3Pa，若真空度無法滿足焊接要求導(dǎo)致Ti氧化失活，焊料無法潤濕Si3N4陶瓷表面造成大面積虛焊、漏焊的現(xiàn)象。

3)釬焊工藝參數(shù)：

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(yīng)不夠充分，導(dǎo)致釬料無法完全潤濕陶瓷表面。

4)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，就會直接導(dǎo)致空洞的形成。

5)焊膏放氣：

釬焊過程中，焊膏中揮發(fā)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(yīng)也會產(chǎn)生氣泡，隨著反應(yīng)的進行氣泡逐漸變大，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(huán)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(shù)(焊接壓力和焊接溫度)進行全因子試驗設(shè)計(DOE)及方差分析，結(jié)果表明焊接壓力是空洞率最主要的影響因素，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(guān)系，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(fā)現(xiàn)，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(fā)作用，不過需要注意的是氮氣在高溫下可能會和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。

上述降低空洞率的方法多針對焊片焊接工藝而言，國內(nèi)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(nèi)已有多家廠商推出相關(guān)產(chǎn)品。

筆者團隊也研發(fā)了一款基于TiH2活性金屬粉末的Ag-Cu-Ti活性焊膏，并創(chuàng)新地提出了預(yù)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(jié)果表明：經(jīng)過預(yù)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(wěn)定在0.2%以下，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。

三，高低溫沖擊可靠性

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，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，這種優(yōu)勢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。

3.1 Si3N4陶瓷性能

表1列出了三種常用陶瓷基板的主要性能參數(shù)。

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，但余曉初等人在文獻[21]中指出，傳熱學(xué)中材料的熱阻通常表示為：

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(dǎo)率；A為材料在熱量通過方向的橫截面積。

表1三種陶瓷材料的性能參數(shù)

材料熱阻不僅和熱導(dǎo)率有關(guān)，也和L和A有關(guān)。假設(shè)氮化硅和氮化鋁基板的橫截面積相同，當(dāng)?shù)璧暮穸葴p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(yōu)異的斷裂韌性和抗彎強度(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)率可以達到400W/(m.K)。

YouZ等人[22]就采用Si粉替代傳統(tǒng)Si3N4粉通過反應(yīng)燒結(jié)已制備得到熱導(dǎo)率為177W/(m.K)的Si3N4陶瓷，表明氮化硅具備達到氮化鋁導(dǎo)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基板的首選陶瓷材料。

3.2 Si3N4-AMB抗高低溫沖擊能力

余曉初等人[34]對比了Si3N4、AlN和Al2O3的AMB基板(銅厚0.30mm/0.25mm)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。

楊春燕等人[23]發(fā)現(xiàn)Si3N4-AMB基板(Cu0.3mm/Si3N40.32mm/Cu0.3mm)在-65～150℃的條件下溫度循環(huán)500次后，樣品在100倍顯微鏡下并未發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)生的裂紋深度，發(fā)現(xiàn)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(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(diào)研國內(nèi)外文獻過程中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)在Si3N4-AMB高低溫沖擊測試實驗中往往設(shè)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最高工作溫度早已突破200℃[26]。

3.3 銅層表面“橘皮現(xiàn)象”

金屬表面晶體發(fā)生單獨的離面位移導(dǎo)致金屬表面粗糙化的現(xiàn)象，被稱為“橘皮現(xiàn)象”。大量文獻表明，Si3N4-AMB覆銅基板在溫度沖擊過程中會產(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。

FukumotoA等人[27]研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)了明顯的表面粗糙化現(xiàn)象，其表面粗糙度隨著循環(huán)次數(shù)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(yīng)力是表面粗糙化的唯一原因，熱致再結(jié)晶和晶界旋轉(zhuǎn)所造成的影響可以忽略不計。

FukudaS等人[28]在Si3N4-AMB覆銅基板的溫度沖擊實驗中同樣發(fā)現(xiàn)了銅層表面的粗糙化現(xiàn)象，并針對這種現(xiàn)象作了更為詳細的分析：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(xiàn)象”的有效措施，這對工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

04結(jié)語

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、強度高、性能穩(wěn)定，是當(dāng)下最具競爭力的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(zhì)Si3N4-AMB覆銅基板的生產(chǎn)能力，而我國在這一領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚，一些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸尚未突破。

在活性釬料方面，Ag-Cu-Ti是目前使用最為廣泛的活性釬料，高質(zhì)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(xiàn)象往往會導(dǎo)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(huán)境、預(yù)脫脂的釬焊工藝、適當(dāng)?shù)拟F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，Si3N4比AlN和Al2O3的性能更好、服役穩(wěn)定性更強，且高導(dǎo)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(fā)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(zhì)量原材料的供應(yīng)始終依賴進口也是國內(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)銅箔的國產(chǎn)化供應(yīng)，將是Si3N4-AMB基板發(fā)展的動力源泉，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，仍是國產(chǎn)Si3N4-AMB基板產(chǎn)業(yè)一直需要努力的目標。

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