吳懿平博士

華中科技大學(xué)連接與電子封裝中心教授/博導(dǎo)   廣州先藝電子科技有限公司技術(shù)總監(jiān)

【摘要】本人曾以《IGBT封裝結(jié)構(gòu)與可靠性》和《AgCuTi活性法陶瓷-金屬封接技術(shù)》兩篇專(zhuān)稿，向讀者介紹了IGBT的基本結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷程、封裝技術(shù)、封裝工藝和可靠性研究；陶瓷-金屬的封接技術(shù)及其采用活性焊料（AMB）對(duì)陶瓷與金屬進(jìn)行封接的工藝。本文則專(zhuān)稿向讀者介紹IGBT功率器件用的AMB氮化鋁高導(dǎo)熱基板技術(shù)。AMB氮化鋁陶瓷基板是迄今為止最具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的高壓功率器件封裝基板，發(fā)展勢(shì)頭非常好。AMB陶瓷基板具有獨(dú)特的耐高低溫沖擊失效能力、優(yōu)異的耐高壓性能，良好的導(dǎo)熱性，極高的可靠性和魯棒性，已成為新一代半導(dǎo)體和新型大功率電力電子器件的首選封裝材料。

【關(guān)鍵詞】AMB陶瓷基板IGBT、AgCuTi焊料、活性法封接、金屬-陶瓷封接、高導(dǎo)熱陶瓷基板

引言

功率半導(dǎo)體器件是實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的關(guān)鍵，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的發(fā)電端、傳輸端和用電端。從應(yīng)用領(lǐng)域占比來(lái)看，汽車(chē)是全球功率半導(dǎo)體最為主要的市場(chǎng)，其次是工業(yè)與消費(fèi)電子領(lǐng)域。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種新型功率半導(dǎo)體器件。與微電子技術(shù)中芯片技術(shù)（CPU）一樣，IGBT芯片技術(shù)是電力電子行業(yè)中的“心臟”和“大腦”，能控制并提供大功率的電力設(shè)備電能變換，有效提升設(shè)備的能源利用效率、自動(dòng)化和智能化水平。由于其原理上集合了高頻、高壓、大電流三大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被公認(rèn)為是電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品。

由IGBT芯片組成的IGBT器件、模塊、組件以及系統(tǒng)裝置廣泛應(yīng)用于空調(diào)、洗衣機(jī)等家用電器，以及軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、船舶驅(qū)動(dòng)、新能源、電動(dòng)汽車(chē)等高端產(chǎn)業(yè)，特別是在涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，高功率等級(jí)的IGBT尤為關(guān)鍵。依據(jù)IGBT的斷態(tài)電壓電壓分布來(lái)看，消費(fèi)電子領(lǐng)域的主要應(yīng)用的IGBT產(chǎn)品為600V以下；600V以上的多用于工業(yè)控制、電子電子、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。其中主流的太陽(yáng)能逆變器需要600/650V和1200V低損耗的IGBT；動(dòng)車(chē)組主要應(yīng)用的IGBT模塊為3300V和6500V，軌道交通所使用的IGBT電壓在1700-6500V之間；智能電網(wǎng)使用的IGBT通常為3300V。其應(yīng)用分布如圖1所示。

圖1 IGBT應(yīng)用領(lǐng)域分布圖

在中低電壓領(lǐng)域，IGBT是新能源汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心元件，約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車(chē)成本的15-20%，也就是說(shuō)IGBT占整車(chē)成本的7-10%。IGBT在新能源車(chē)中是除電池之外成本第二高的元件，同時(shí)也決定了新能源車(chē)的整車(chē)能源效率。此外新能源車(chē)主要配件和外設(shè)，如車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)和新能源車(chē)充電樁中也需要用大量到IGBT模組。

從20世紀(jì)80年代至今，IGBT芯片制造技術(shù)經(jīng)歷了6代升級(jí)，從平面穿通型（PT）、到溝槽型電場(chǎng)-截止型（FS-Trench），芯片面積、工藝線(xiàn)寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗等各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化，斷態(tài)電壓也從600V提高到6500V以上。第7代IGBT由三菱電機(jī)在2012年推出，IGBT更新一代的SiC技術(shù)也已經(jīng)在面市，三菱、Fuji、Rohm等都有能力制造出SiC功率芯片元件。

除了功率芯片技術(shù)外，封裝基板就成為IGBT模塊最為重要的組成部件了。高端的IGBT模塊對(duì)基板要求是：具有高導(dǎo)熱、高電絕緣、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性；又兼具無(wú)氧銅的高導(dǎo)電性、大的載流量；還要求容易形成電路圖案和優(yōu)異的焊接性能。

活性金屬釬焊（Active Metal Bonding，AMB）陶瓷覆銅基板以其優(yōu)異的性能而成為大功率電力電子器件的首選封裝材料。由于其在軍用功率電子和車(chē)輛電子等領(lǐng)域的特殊地位，掌握了核心技術(shù)的日本、德國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，該技術(shù)已被列入《中國(guó)制造2025》的重大攻關(guān)項(xiàng)目。

可以認(rèn)為：高溫?zé)Y(jié)金屬粉末法進(jìn)行氧化物陶瓷-金屬封接是二十世紀(jì)國(guó)內(nèi)外高度重視和大力發(fā)展的高新技術(shù)。如今活性焊料實(shí)現(xiàn)非氧化物陶瓷-金屬接合（AMB），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)陶瓷表面金屬化、圖案化的電路基板，則是二十一世紀(jì)國(guó)際上高度重視和大力發(fā)展的高新技術(shù)。

1 陶瓷電路基板

1.1 幾種陶瓷材料的比較

Al₂O₃：氧化鋁基板是電子工業(yè)中最常用的基板材料。相對(duì)于大多數(shù)其他氧化物陶瓷，氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性高，且原料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜，適用于各種各樣的制造技術(shù)以及不同的形狀要求。

BeO：具有比金屬鋁還高的熱導(dǎo)率，應(yīng)用于需要高熱導(dǎo)的場(chǎng)合，但溫度超過(guò)300°C后迅速降低，還因其毒性，大大限制了BeO陶瓷的應(yīng)用。

Si₃N₄：氮化硅陶瓷基板導(dǎo)熱率75-80W/(m·K），導(dǎo)熱確實(shí)比不上氮化鋁陶瓷基板，但是氮化硅陶瓷基板彎曲強(qiáng)度是氮化鋁陶瓷基板的2-3倍，可以提高氮化硅陶瓷覆銅板強(qiáng)度和抗沖擊能力，焊接更厚的無(wú)氧銅而不會(huì)產(chǎn)生瓷裂現(xiàn)象，提高了基板的可靠性。

AlN：AlN有幾個(gè)非常重要的性能優(yōu)點(diǎn)：無(wú)毒；高的絕緣性能和高擊穿場(chǎng)強(qiáng)（1.4×10⁷V/cm）；低介電常數(shù)（～8.8）；非常高的熱導(dǎo)率（同導(dǎo)熱良好的鋁相當(dāng)，理論熱導(dǎo)率280W/m/K）；有與Si相匹配的膨脹系數(shù)（293K-773K，4.8×10^-6K^-1）。只是AlN陶瓷材料本身的機(jī)械強(qiáng)度稍差；相對(duì)于Al₂O₃，AlN價(jià)格相對(duì)偏高。但性?xún)r(jià)比來(lái)講，AlN還是高出許多，因?yàn)?/span>Al₂O₃（96%）的導(dǎo)熱率只有29W/M*K（25°C），而AlN熱導(dǎo)率高達(dá)180W/M*K（25°C）。因此，對(duì)于正在興起和快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、電力電子、軌道交通、新能源汽車(chē)等行業(yè)所需要的大功率電子器件，特別是大功率IGBT模塊，具有高導(dǎo)熱性能、高可靠性的氮化鋁陶瓷基板必將成為首選材料。

1.2 幾種陶瓷電路基板工藝

陶瓷電路基板（簡(jiǎn)稱(chēng)“陶瓷基板”）種類(lèi)共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB五種。其中DBC與DPC為國(guó)內(nèi)近幾年才開(kāi)發(fā)成熟、且能量產(chǎn)化的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。表1列出了DBC陶瓷基板和AMB陶瓷基板的性能特點(diǎn)。

表1 不同工藝陶瓷基板的性能對(duì)比

HTCC基板：高溫共燒（HTCC）多層陶瓷基板，屬于較早起發(fā)展的技術(shù)，但由于燒結(jié)溫度較高使其電極材料的選擇受限，且制作成本相對(duì)高昂，這些因素促使了低溫陶瓷共燒（LTCC）的發(fā)展。

LTCC基板：低溫共燒（LTCC）多層陶瓷基板雖然將共燒溫度降至約850°C，但缺點(diǎn)是尺寸精確度、產(chǎn)品強(qiáng)度不易控制。

DBC基板：Al₂O₃陶瓷的DBC基板是利用高溫加熱將Al₂O₃與Cu板結(jié)合，其技術(shù)瓶頸在于不易解決Al₂O₃與銅交界面之間的微氣孔問(wèn)題，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)能力與良率受到較大的挑戰(zhàn)，直接影響覆銅基板的導(dǎo)熱性能和可靠性能，特別是耐高低溫沖擊性能。AlN陶瓷的DBC覆銅基板則是分別在無(wú)氧銅片和AlN基片上進(jìn)行預(yù)氧化，從而形成相應(yīng)的Cu₂O和Al₂O₃氧化層，然后通過(guò)高溫下的化學(xué)反應(yīng)形成封接良好的界面，制備出AlN陶瓷直接敷銅基板。AlN陶瓷的DBC基板最脆弱的部分是AlN陶瓷基片與其表面氧化層結(jié)合的地方，此斷面的主要物相是Al₂O₃和AlN。AlN陶瓷直接覆銅基板的結(jié)合強(qiáng)度隨著銅片氧化層厚度的增加而降低，表明預(yù)氧化層厚度是影響覆銅基板結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

DPC基板：DPC基板是將Cu直接沉積于Al₂O₃基板或其他陶瓷基板上的陶瓷電路基板。其工藝結(jié)合了材料制備技術(shù)與薄膜工藝技術(shù)。DPC基板產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。DPC基板的關(guān)鍵技術(shù)在于如何在陶瓷表面實(shí)現(xiàn)金屬化種子層，進(jìn)而通過(guò)濕法工藝（或其他工藝）增厚金屬電路層。受限于工藝特性，其電路層的剝離強(qiáng)度和可靠性（耐高低溫沖擊性能）不理想，只能應(yīng)用于低功率的電子器件。但是其更加有優(yōu)勢(shì)的是：采用精細(xì)化的薄膜工藝，使得這種方法可以在陶瓷基片上獲得高密度的金屬化電路圖案，加上陶瓷基底的優(yōu)異性能（如AlN的優(yōu)異性能），DPC陶瓷基板常用作高密度集成電路的基板。

2 AlN陶瓷流延片

2.1 氮化鋁粉體

氮化鋁材料呈灰白色，屬于六方晶系纖鋅礦型共價(jià)鍵化合物。該結(jié)構(gòu)決定了AlN天然具有優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能。合成優(yōu)良的粉體是制備高導(dǎo)熱陶瓷片的重要前提。AlN粉末原料的粒度和純度對(duì)AlN陶瓷的性能起決定性作用，特別是氧含量對(duì)熱導(dǎo)率影響極大。所以要獲得高熱導(dǎo)率、高致密度、性能優(yōu)良的AlN陶瓷，必須首先制備出高純度、細(xì)粒度、窄粒度分布、性能穩(wěn)定的AlN粉末。

高導(dǎo)熱的AlN陶瓷片對(duì)氮化鋁粉體的要求是：高純度、粒度小且均勻、比表面積大、碳含量低、氧含量低、雜質(zhì)金屬極低。

目前，AlN粉末的合成方法主要有以下幾種：鋁粉直接氮化法、碳熱還原法、氣相反應(yīng)法、裂解法、等離子體法、電弧熔煉法等。前兩種方法已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，其中鋁粉直接氮化法為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)不易控制，反應(yīng)過(guò)程中放出的大量熱易使鋁形成融塊，造成反應(yīng)不完全，難以制備高純度、細(xì)粒度的產(chǎn)品。相比較而言，碳熱還原法制備的AlN粉末純度高、性能穩(wěn)定、粉末粒度細(xì)小均勻、成形和燒結(jié)性能良好。而在制備AlN前驅(qū)體時(shí)，溶膠-凝膠法又以成分易分布均勻、顆粒細(xì)而優(yōu)于固相混合法。

一種基于溶膠-凝膠的碳熱還原法制備AlN粉末的工藝介紹如下：

1. 1. 制備AlN前驅(qū)體：將異丙醇鋁、蔗糖、聚乙二醇等均勻混合在一起，其中異丙醇鋁與有機(jī)碳源蔗糖的摩爾比為3，聚乙二醇的加入量為總量的0.3%。加入異丙醇/乙醇溶解，加醋酸去離子水溶液，以獲得氫氧化鋁溶膠體。升高溫度蒸發(fā)掉部分的水分和溶劑，得到凝膠體。將凝膠體進(jìn)行冷凍干燥，形成AlN前驅(qū)體干凝膠。

2. 2. 制備含碳的AlN粉末：將AlN前驅(qū)體干凝膠放入密閉的惰性氣氛爐中，使干凝膠中的有機(jī)物在無(wú)氧存在的惰性氣氛環(huán)境中逐漸脫水并炭化，與氫氧化鋁分解生成的氧化鋁形成混合均勻且疏松多孔的物質(zhì)。通過(guò)控制氮?dú)饬魉偌安粩嗌郎?，最終在約1500°C下氮化得到含碳的AlN粉末。

3. 3. 炭熱還原AlN粉末：將含碳的AlN粉末放置于脫碳爐中，在800oC的還原氣氛下脫碳，即可得到85%粒徑分布在0.65-1.5μm之間的高純AlN粉體（氧量低于1%）。上述方法可在較低溫下制得純度高，含氧量低的亞微米級(jí)AlN粉體。

2.2 燒結(jié)助劑

AlN是一種難燒結(jié)的陶瓷材料。由于AlN中鋁-氮鍵具有較高的共價(jià)鍵成分，所以導(dǎo)致了AlN較高的熔點(diǎn)、較小的自擴(kuò)散系數(shù)和較低的燒結(jié)活性。與其他幾種高共價(jià)鍵材料氮化硼（BN）、碳化硼（B_xC）、碳化硅（SiC）一樣，AlN粉體純度較高時(shí)，很難通過(guò)燒結(jié)達(dá)到完全致密，陶瓷晶粒中或晶界處均有氣孔存在，極大地限制了AlN陶瓷的應(yīng)用。

目前，AlN陶瓷致密化的手段基本可分為兩大類(lèi)：添加燒結(jié)助劑和改進(jìn)燒結(jié)工藝。

添加燒結(jié)助劑是一種常見(jiàn)且有效提高陶瓷材料致密度的方法。在AlN材料的致密化過(guò)程中，常將CaF₂、Y₂O₃、CaO、Li₂O、BaO、MgO、SrO、La₂O₃、HfO₂和CeO₂等堿土金屬、稀土金屬和堿金屬的化合物作為燒結(jié)助劑添加到AlN原料粉體中。一般而言，二元或多元燒結(jié)助劑往往可以獲得更好的燒結(jié)效果。

引入燒結(jié)體系的燒結(jié)助劑可與AlN粉體表面的Al₂O₃反應(yīng)，形成低熔物，產(chǎn)生液相，用以潤(rùn)濕與連接AlN顆粒。這些液相包圍AlN顆粒，在毛細(xì)管力的作用下發(fā)生顆粒重排和內(nèi)部氣孔排出，起到促進(jìn)燒結(jié)并提高陶瓷致密度的作用；燒結(jié)助劑和氧雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，以化合物的形式在晶界析出，起到純化晶格的效果，從而提高AlN陶瓷的導(dǎo)熱性能。

助燒劑加入方式有兩種，一是直接添加，另一種是以可溶性硝酸鹽形式制成前驅(qū)體原位生產(chǎn)燒結(jié)助劑。

2.3 流延成型與燒結(jié)

近年來(lái)業(yè)界逐步開(kāi)發(fā)了流延成型、注凝成型、注射成型等工藝。由于電路基板的陶瓷基材大都為薄片狀，因此基本都采用流延成型方式來(lái)生產(chǎn)陶瓷生胚料。流延法分為有機(jī)和無(wú)機(jī)體系，有機(jī)流延體系具有溶劑選擇范圍廣、干燥時(shí)間短、防止粉體水化等特點(diǎn)，但常用的醇、酮及苯等有機(jī)溶劑具有一定毒性，生產(chǎn)受到一定限制。目前行業(yè)內(nèi)主要采用水基流延成型法。

水基流延體系是以水為溶劑，具有無(wú)污染、綠色環(huán)保、不燃以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于AlN陶瓷的綠色、低成本制造。但是AlN粉體易與水發(fā)生水解反應(yīng)，從而在AlN陶瓷粉體表面引入額外的氧元素，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后會(huì)增大AlN陶瓷晶格氧含量，導(dǎo)致AlN陶瓷熱導(dǎo)率的急劇降低，因此，通常需要對(duì)AlN陶瓷粉體進(jìn)行抗水解處理，以滿(mǎn)足高導(dǎo)熱AlN陶瓷的制備要求。

利用磷酸對(duì)AlN粉末進(jìn)行酸洗處理，在其表面形成一層難溶于水的磷酸鹽保護(hù)層，可以有效地抑制AlN與的水反應(yīng)，從而提高AlN抗水解能力。以一種中性低分子量聚丙烯酸酯(DP270)和聚丙烯酸銨(PAA-NH4)為分散劑可以使AlN粉末在水中的等電點(diǎn)向pH小的方向移動(dòng)，并增大其Zeta電位的絕對(duì)值，有利于提高AlN漿料的穩(wěn)定性與均勻性。以聚乙烯醇(PVA)為粘結(jié)劑、甘油為增塑劑，得到高固含量的水基流延漿料，通過(guò)流延成型方法可得到AlN坯片，在1850oC燒結(jié)后，可制得熱導(dǎo)率為263W/m/K的AlN陶瓷。

為防止氮化鋁陶瓷的氧化，必須在無(wú)氧環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)。常用的燒結(jié)方式有：真空燒結(jié)、保護(hù)氣氛燒結(jié)。例如，將上述溶膠-凝膠碳熱還原法制得的AlN超細(xì)粉體與CaF-Y₂O₃二元燒結(jié)助劑混合后經(jīng)流延成型為片狀后，在1700-1800oC的高純氮?dú)夥毡Ｗo(hù)爐中燒結(jié)2h而制得AlN陶瓷板料。

AlN陶瓷的理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/(m·K)，其商用產(chǎn)品熱導(dǎo)率一般為170-260W/(m·K)。25-200°C溫度范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)為4<span style="letter-spacing: