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AMB氮化鋁陶瓷基板
上傳更新:2021-05-21

吳懿平博士

華中科技大學連接與電子封裝中心教授/博導   廣州先藝電子科技有限公司技術總監

 

 

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

【關鍵詞】AMB陶瓷基板IGBT、AgCuTi焊料、活性法封接、金屬-陶瓷封接、高導熱陶瓷基板

 

 

引言

 

功率半導體器件是實現電能變換和控制的關鍵,廣泛應用于電網的發電端、傳輸端和用電端。從應用領域占比來看,汽車是全球功率半導體最為主要的市場,其次是工業與消費電子領域。絕緣柵雙極型晶體管Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT是一種新型功率半導體器件。與微電子技術中芯片技術CPU一樣,IGBT芯片技術是電力電子行業中的心臟大腦,能控制并提供大功率的電力設備電能變換,有效提升設備的能源利用效率、自動化和智能化水平。由于其原理上集合了高頻、高壓、大電流三大技術優勢,被公認為是電力電子技術第三次革命最具代表性的產品。

 

IGBT芯片組成的IGBT器件、模塊、組件以及系統裝置廣泛應用于空調、洗衣機等家用電器,以及軌道交通、智能電網、航空航天、船舶驅動、新能源、電動汽車等高端產業,特別是在涉及國家經濟安全、國防安全等戰略性產業領域,高功率等級的IGBT尤為關鍵。依據IGBT的斷態電壓電壓分布來看,消費電子領域的主要應用的IGBT產品為600V以下;600V以上的多用于工業控制、電子電子、智能電網、軌道交通等領域。其中主流的太陽能逆變器需要600/650V1200V低損耗的IGBT;動車組主要應用的IGBT模塊為3300V6500V,軌道交通所使用的IGBT電壓在1700-6500V之間;智能電網使用的IGBT通常為3300V。其應用分布如圖1所示。

1 IGBT應用領域分布圖

在中低電壓領域,IGBT是新能源汽車電機驅動系統的核心元件,約占電機驅動系統成本的一半。而電機驅動系統占整車成本的15-20%,也就是說IGBT占整車成本的7-10%。IGBT在新能源車中是除電池之外成本第二高的元件,同時也決定了新能源車的整車能源效率。此外新能源車主要配件和外設,如車載空調控制系統和新能源車充電樁中也需要用大量到IGBT模組。

20世紀80年代至今,IGBT芯片制造技術經歷了6代升級,從平面穿通型(PT、到溝槽型電場-截止型FS-Trench,芯片面積、工藝線寬、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗等各項指標經歷了不斷的優化,斷態電壓也從600V提高到6500V以上。第7IGBT由三菱電機在2012年推出,IGBT更新一代的SiC技術也已經在面市,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模塊對基板要求是:具有高導熱、高電絕緣、高機械強度、低膨脹等特性;又兼具無氧銅的高導電性、大的載流量;還要求容易形成電路圖案和優異的焊接性能。

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輛電子等領域的特殊地位,掌握了核心技術的日本、德國等少數發達國家對我國進行了嚴格的技術封鎖,該技術已被列入《中國制造2025》的重大攻關項目。

可以認為:高溫燒結金屬粉末法進行氧化物陶瓷-金屬封接是二十世紀國內外高度重視和大力發展的高新技術。如今活性焊料實現非氧化物陶瓷-金屬接合(AMB,進而實現陶瓷表面金屬化、圖案化的電路基板,則是二十一世紀國際上高度重視和大力發展的高新技術。

 

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中最常用的基板材料。相對于大多數其他氧化物陶瓷,氧化鋁陶瓷的強度及化學穩定性高,且原料來源豐富,價格便宜,適用于各種各樣的制造技術以及不同的形狀要求。

BeO具有比金屬鋁還高的熱導率,應用于需要高熱導的場合,但溫度超過300°C后迅速降低,還因其毒性,大大限制了BeO陶瓷的應用。

Si3N4氮化硅陶瓷基板導熱率75-80W/(m·K),導熱確實比不上氮化鋁陶瓷基板,但是氮化硅陶瓷基板彎曲強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度和抗沖擊能力,焊接更厚的無氧銅而不會產生瓷裂現象,提高了基板的可靠性。

AlNAlN有幾個非常重要的性能優點:無毒;高的絕緣性能和高擊穿場強1.4×107V/cm;低介電常數(~8.8;非常高的熱導率同導熱良好的鋁相當,理論熱導率280W/m/K);有與Si相匹配的膨脹系數293K-773K,4.8×10-6K-1。只是AlN陶瓷材料本身的機械強度稍差;相對于Al2O3,AlN價格相對偏高。但性價比來講,AlN還是高出許多,因為Al2O396%的導熱率只有29W/M*K25°C,而AlN熱導率高達180W/M*K25°C。因此,對于正在興起和快速發展的物聯網、人工智能、5G、電力電子、軌道交通、新能源汽車等行業所需要的大功率電子器件,特別是大功率IGBT模塊,具有高導熱性能、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(簡稱“陶瓷基板”)種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB五種。其中DBCDPC為國內近幾年才開發成熟、且能量產化的專業技術。表1列出了DBC陶瓷基板和AMB陶瓷基板的性能特點。

1 不同工藝陶瓷基板的性能對比

基板類型

應用領域

價格

熱阻值

熱脹系數

基板強度

載流量

可靠性

Al2O3 DBC

家用電器、電動汽車、電力驅動、UPS

AlN DBC

航空航天、軍事電子、醫療、汽車、動車、電網

Si3N4 DBC

航空航天、軍事電子、醫療、混合動力汽車

AlN DPC

高密度、高導熱封裝用陶瓷基板

Al2O3 AMB

家用電器、電動汽車、電力驅動、UPS

Si3N4 AMB

航空航天、軍事電子、醫療、汽車、輸變電網

AlN AMB

航空航天、軍事電子、醫療、汽車、動車、電網

 

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

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,但缺點是尺寸精確度、產品強度不易控制。

DBC基板:Al2O3陶瓷的DBC基板是利用高溫加熱將Al2O3Cu板結合,其技術瓶頸在于不易解決Al2O3與銅交界面之間的微氣孔問題,這使得該產品的量產能力與良率受到較大的挑戰,直接影響覆銅基板的導熱性能和可靠性能,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氧銅片和AlN基片上進行預氧化,從而形成相應的Cu2OAl2O3氧化層,然后通過高溫下的化學反應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合的地方,此斷面的主要物相是Al2O3AlN。AlN陶瓷直接覆銅基板的結合強度隨著銅片氧化層厚度的增加而降低,表明預氧化層厚度是影響覆銅基板結合強度的關鍵因素。

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。其工藝結合了材料制備技術與薄膜工藝技術。DPC基板產品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。DPC基板的關鍵技術在于如何在陶瓷表面實現金屬化種子層,進而通過濕法工藝或其他工藝增厚金屬電路層。受限于工藝特性,其電路層的剝離強度和可靠性(耐高低溫沖擊性能不理想,只能應用于低功率的電子器件。但是其更加有優勢的是:采用精細化的薄膜工藝,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,加上陶瓷基底的優異性能AlN的優異性能,DPC陶瓷基板常用作高密度集成電路的基板。

 

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鍵化合物。該結構決定了AlN天然具有優良的熱學、電學和力學性能。合成優良的粉體是制備高導熱陶瓷片的重要前提。AlN粉末原料的粒度和純度對AlN陶瓷的性能起決定性作用,特別是氧含量對熱導率影響極大。所以要獲得高熱導率、高致密度、性能優良的AlN陶瓷,必須首先制備出高純度、細粒度、窄粒度分布、性能穩定的AlN粉末。

高導熱的AlN陶瓷片對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、氣相反應法、裂解法、等離子體法、電弧熔煉法等。前兩種方法已經應用于工業化大規模生產,其中鋁粉直接氮化法為強放熱反應,反應不易控制,反應過程中放出的大量熱易使鋁形成融塊,造成反應不完全,難以制備高純度、細粒度的產品。相比較而言,碳熱還原法制備的AlN粉末純度高、性能穩定、粉末粒度細小均勻、成形和燒結性能良好。而在制AlN前驅體時,溶膠-凝膠法又以成分易分布均勻、顆粒細而優于固相混合法。

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。升高溫度蒸發掉部分的水分和溶劑,得到凝膠體。將凝膠體進行冷凍干燥,形成AlN前驅體干凝膠。

  2. 2. 制備含碳的AlN粉末:將AlN前驅體干凝膠放入密閉的惰性氣氛爐中,使干凝膠中的有機物在無氧存在的惰性氣氛環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。通過控制氮氣流速及不斷升溫,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AlN粉體。

2.2 燒結助劑

AlN是一種難燒結的陶瓷材料。由于AlN中鋁-氮鍵具有較高的共價鍵成分,所以導致了AlN較高的熔點、較小的自擴散系數和較低的燒結活性。與其他幾種高共價鍵材料氮化硼BN、碳化硼BxC、碳化硅SiC)一樣,AlN粉體純度較高時,很難通過燒結達到完全致密,陶瓷晶粒中或晶界處均有氣孔存在,極大地限制了AlN陶瓷的應用。

目前,AlN陶瓷致密化的手段基本可分為兩大類:添加燒結助劑和改進燒結工藝。

添加燒結助劑是一種常見且有效提高陶瓷材料致密度的方法。在AlN材料的致密化過程中,常將CaF2、Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、SrO、La2O3、HfO2CeO2等堿土金屬、稀土金屬和堿金屬的化合物作為燒結助劑添加到AlN原料粉體中。一般而言,二元或多元燒結助劑往往可以獲得更好的燒結效果。

引入燒結體系的燒結助劑可與AlN粉體表面的Al2O3反應,形成低熔物,產生液相,用以潤濕與連接AlN顆粒。這些液相包圍AlN顆粒,在毛細管力的作用下發生顆粒重排和內部氣孔排出,起到促進燒結并提高陶瓷致密度的作用;燒結助劑和氧雜質發生反應,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體原位生產燒結助劑。

2.3 流延成型與燒結

近年來業界逐步開發了流延成型、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生產陶瓷生胚料。流延法分為有機和無機體系,有機流延體系具有溶劑選擇范圍廣、干燥時間短、防止粉體水化等特點,但常用的醇、酮及苯等有機溶劑具有一定毒性,生產受到一定限制。目前行業內主要采用水基流延成型法。

水基流延體系是以水為溶劑,具有無污染、綠色環保、不燃以及成本低等優點,適用于AlN陶瓷的綠色、低成本制造。但是AlN粉體易與水發生水解反應,從而在AlN陶瓷粉體表面引入額外的氧元素,經高溫燒結后會增大AlN陶瓷晶格氧含量,導致AlN陶瓷熱導率的急劇降低,因此,通常需要對AlN陶瓷粉體進行抗水解處理,以滿足高導熱AlN陶瓷的制備要求。

利用磷酸對AlN粉末進行酸洗處理,在其表面形成一層難溶于水的磷酸鹽保護層,可以有效地抑制AlN的水反應,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向pH小的方向移動,并增大其Zeta電位的絕對值,有利于提高AlN漿料的穩定性與均勻性。以聚乙烯醇(PVA)為粘結劑、甘油為增塑劑,得到高固含量的水基流延漿料,通過流延成型方法可得到AlN坯片,在1850oC燒結后,可制得熱導率為263W/m/KAlN陶瓷。

為防止氮化鋁陶瓷的氧化,必須在無氧環境下進行燒結。常用的燒結方式有:真空燒結、保護氣氛燒結。例如,將上述溶膠-凝膠碳熱還原法制得的AlN超細粉體與CaF-Y2O3二元燒結助劑混合后經流延成型為片狀后,1700-1800oC的高純氮氣氛保護爐中燒結2h而制得AlN陶瓷板料。

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

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