0. 引言
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種融合了雙極晶體管和金屬氧化物場效應(yīng)晶體管優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合功率器件，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)換與控制，在航空航天的電力控制、軌道交通的牽引制動、新能源汽車的充放電及發(fā)電逆變等方面應(yīng)用廣泛。應(yīng)用于新能源汽車中時(shí)，IGBT因需在高功率條件下工作且設(shè)備空間小，對散熱性和可靠性要求極高[1-3]。覆銅板作為IGBT模塊的封裝材料，起著固定連接芯片、聯(lián)通外部電路和傳導(dǎo)散熱的作用[4-5]。根據(jù)基板材料的不同覆銅板可分為金屬基覆銅板、樹脂基覆銅板和陶瓷基覆銅板：金屬基覆銅板常用于航空航天、軍工等極端服役環(huán)境，樹脂基覆銅板多應(yīng)用于小功率電子器件，陶瓷基覆銅板則在IGBT模塊封裝中占主導(dǎo)地位。陶瓷基覆銅板根據(jù)陶瓷材料種類可分為Al2O3、AlN和Si3N4陶瓷基覆銅板，其中Al2O3陶瓷基覆銅板應(yīng)用較早且廣泛，AlN陶瓷基覆銅板具有較好的綜合性能，Si3N4陶瓷基覆銅板的力學(xué)性能和導(dǎo)熱能力更優(yōu)，在IGBT模塊封裝，尤其是在新能源汽車領(lǐng)域中對抗震和導(dǎo)熱要求高、體積小的IGBT模塊方面具有廣闊的應(yīng)用前景[6-10]。
活性金屬釬焊（AMB）覆銅是制備陶瓷基覆銅板的一種工藝，通過將銅板、活性金屬釬料（含鈦、鋯、釩、鉿和鉻等元素）和陶瓷基板組合成“銅–釬料–陶瓷”的“三明治”結(jié)構(gòu)，再施以高溫實(shí)現(xiàn)銅與陶瓷連接，具有工藝流程簡單、陶瓷板與銅板間結(jié)合力高和覆銅板容易蝕刻等優(yōu)點(diǎn)。金屬銅板的線膨脹系數(shù)高于陶瓷基板，二者在進(jìn)行AMB時(shí)會因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致覆銅板變形和斷裂；這就要求焊層的熱膨脹系數(shù)應(yīng)介于陶瓷與銅板之間[11-12]。為了實(shí)現(xiàn)銅板與陶瓷間的良好結(jié)合，釬料還應(yīng)能很好地潤濕銅板和陶瓷，并與二者形成冶金結(jié)合。目前，工業(yè)中制備覆銅板時(shí)采用的主流釬料是AgCuTi合金釬料，其制備工藝成熟且簡單高效，用該釬料制備的陶瓷基覆銅板具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和較高的結(jié)合強(qiáng)度[11]。在AgCuTi合金釬料中，銀元素可以改善釬料的流動性能，降低熔點(diǎn)，并細(xì)化釬焊時(shí)生成的金屬間化合物，從而提高接頭韌性；銅的加入可以增強(qiáng)焊層的強(qiáng)度和韌性，從而提高陶瓷基覆銅板的力學(xué)性能；鈦?zhàn)鳛榛钚栽?，可以與陶瓷反應(yīng)從而促使焊層與陶瓷表面的反應(yīng)結(jié)合。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，AgCuTi合金釬料的應(yīng)用形式（焊片、焊膏等）會影響生產(chǎn)工藝的選擇和效率以及釬焊效果。空洞率反映了焊層的致密程度，空洞的產(chǎn)生主要源于釬料揮發(fā)、潤濕不均或殘留氣體，空洞增多會導(dǎo)致導(dǎo)熱性能下降，引發(fā)應(yīng)力集中；熱循環(huán)可靠性反映了陶瓷基覆銅板在溫度反復(fù)升降環(huán)境下的穩(wěn)定性，主要受陶瓷與銅熱膨脹系數(shù)差異的影響，也受釬焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力影響，殘余應(yīng)力易誘發(fā)裂紋擴(kuò)展。探討空洞率及熱循環(huán)可靠性的影響因素，對于調(diào)控釬料成分和工藝參數(shù)以制備高性能覆銅板具有重要意義。
為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者綜述了AgCuTi合金釬料釬焊陶瓷和銅板時(shí)的潤濕作用和界面反應(yīng)，總結(jié)了AgCuTi合金釬料的應(yīng)用形式以及影響陶瓷基覆銅板空洞率與熱循環(huán)可靠性的因素，展望了AgCuTi合金釬料未來的研究方向和行業(yè)應(yīng)用發(fā)展趨勢。
1. AgCuTi合金釬料的應(yīng)用形式
AgCuTi合金釬料釬焊陶瓷基覆銅板時(shí)的應(yīng)用形式與釬料自身的狀態(tài)有關(guān)[13]，主要有焊片和焊膏兩種。焊片由銀、銅和鈦金屬粉末經(jīng)熔煉、軋制等工藝制成，使用時(shí)只需將其置于陶瓷與銅板之間，操作簡便。但是，由于鈦脆性大、機(jī)械加工性能較差，該釬料在軋制成焊片的過程中容易發(fā)生脆性斷裂[14-15]。焊膏由按比例添加的Ag-Cu-Ti合金粉末或銀、銅、鈦（或TiH2）粉末，與有機(jī)溶劑、黏結(jié)劑、觸變劑等釬焊助劑機(jī)械混合制成，使用時(shí)通過絲網(wǎng)印刷將其涂敷于陶瓷基板兩側(cè)，隨后與銅板貼合，整個工藝高效成熟、機(jī)械自動化程度較高。但是，由于焊膏中含有較多有機(jī)物，釬焊時(shí)這些有機(jī)物會大量揮發(fā)，可能會降低爐體真空度，產(chǎn)生焊層空洞，從而影響釬焊效果[16]。
基于高效率的工藝需求，目前AgCuTi合金釬料的主流應(yīng)用形式是焊膏，并且為了降低成本，通常直接使用銀、銅和鈦金屬粉末，采用攪拌機(jī)進(jìn)行機(jī)械混合制備。這種方式更便于根據(jù)不同的產(chǎn)品要求和生產(chǎn)條件靈活調(diào)整配方。AgCuTi合金釬料焊膏在使用過程中會因有機(jī)物的揮發(fā)而產(chǎn)生焊層空洞，未來還需從焊膏助劑方面進(jìn)行深入研究。
2. AgCuTi合金釬料的潤濕特性與界面反應(yīng)
通過AMB工藝連接陶瓷基板與銅板時(shí)，對于釬料性能的要求是相同的：釬料熔體應(yīng)對銅板和陶瓷基板均能良好潤濕[17-18]；釬料熔體與基板界面應(yīng)發(fā)生反應(yīng)形成良好冶金結(jié)合，以得到結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)異的陶瓷基覆銅板。
2.1 界面潤濕特性
釬料熔體需緊密附著并能在基板表面流動，填充狹窄縫隙，這是因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)空洞或填充不完整的情況都會降低焊層力學(xué)性能。釬料的潤濕能力受基板材料、釬料組成、釬焊溫度以及基板表面狀態(tài)等多種因素影響[19]。劉國化[20]研究發(fā)現(xiàn)，Ag-27.5Cu-2.5Ti和Ag-28Cu-4Ti合金釬料在純銅上的潤濕角分別為12.1°，10.6°，說明這兩種釬料能在銅表面緊密附著并鋪展。AgCuTi合金釬料對銅板的潤濕性較好，相關(guān)研究多集中在其對陶瓷基板的潤濕性能上。
AgCuTi合金釬料的鈦含量對其潤濕陶瓷的能力影響較大。劉國化[20]研究發(fā)現(xiàn)，Ag-28Cu-4Ti合金釬料在Al2O3陶瓷上的鋪展面積比Ag-27.5Cu-2.5Ti合金釬料大，說明鈦含量的增加提高了釬料對Al2O3陶瓷的潤濕能力。XU等[21]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬料中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至4.5%時(shí)，AgCuTi合金釬料與AlN陶瓷表面的潤濕角從22.9°減小到8.1°。釬料中的鈦含量也并非越高越好：由于鈦的高活性及其在釬料熔體中的運(yùn)動能力有限，過多的鈦會提高釬料熔體的表面張力，反而會降低對陶瓷表面的潤濕能力。SONG等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在880℃下隨著鈦含量的增加，AgCuTi合金釬料與Si3N4陶瓷表面的潤濕角先減小后增大，當(dāng)鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)潤濕角最小，為14.6°。此外，隨著鈦含量增加，鈦與陶瓷反應(yīng)生成的Ti5Si3金屬間化合物會出現(xiàn)在釬料熔體中，導(dǎo)致釬料在陶瓷表面的鋪展時(shí)間延長，鋪展效率降低[23-24]。AgCuTi合金釬料中銀的作用主要有兩方面：一是降低合金熔點(diǎn)，從而降低釬焊溫度；二是提高鈦的活性，促使釬料與陶瓷的良好潤濕和結(jié)合，減少鈦的添加量。銅與鈦的吸引力較強(qiáng)，容易發(fā)生反應(yīng)生成Cu-Ti化合物，降低鈦的運(yùn)動能力和活性。因此，在鈦含量固定的情況下，減少銅含量、增加銀含量有利于提高鈦的活性和釬料的潤濕能力[25]。
釬焊溫度過低會導(dǎo)致釬料熔化不完全，降低其在基板材料表面的鋪展能力；釬焊溫度過高時(shí)的釬料流動性大，容易出現(xiàn)外溢現(xiàn)象，從而減少對基板的潤濕。YANG等[26]研究發(fā)現(xiàn)，隨著釬焊溫度的升高，Ag-Cu-Ti合金釬料熔體的表面張力先降低后增加，在975℃時(shí)最低，此時(shí)釬料的潤濕性能最佳。
陶瓷基板表面粗糙度越大，釬料熔體與其形成的潤濕角越大，潤濕性能越差。研究[27-28]發(fā)現(xiàn)：表面粗糙度大的陶瓷表面的界面面積更大，與釬料發(fā)生界面反應(yīng)時(shí)消耗的鈦更多；當(dāng)Al2O3陶瓷表面粗糙度由256nm增至636nm時(shí)，潤濕角增大了8°。此外，潔凈、無污染的陶瓷基板更有利于釬料潤濕，因此釬焊前要去除陶瓷基板表面的油污和雜質(zhì)。
2.2 界面反應(yīng)
在AMB制備陶瓷基覆銅板的過程中，熔融的釬料與母材基板在界面處會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成金屬間化合物（IMC）層，這意味著釬料與母材基板之間實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。界面處IMC的類型和分布情況對焊層的力學(xué)性能具有決定性作用[29-30]。AgCuTi合金釬料與銅板在高溫下會反應(yīng)生成Cu2Ti等Cu-Ti化合物，同時(shí)釬料中的金屬元素向銅板內(nèi)部擴(kuò)散，因此AgCuTi合金釬料與銅板之間的結(jié)合能力通常較好[31-32]。陶瓷與AgCuTi合金釬料的熱膨脹系數(shù)相差較大，釬料與陶瓷界面的IMC層在受外力作用時(shí)屬于應(yīng)力集中區(qū)域，因此陶瓷側(cè)界面在整個結(jié)構(gòu)中尤為重要，相關(guān)研究也多圍繞該界面展開。
研究人員對AgCuTi合金釬料釬焊Al2O3陶瓷的焊層及界面組織進(jìn)行研究，提出了界面反應(yīng)機(jī)制[33]：高溫下AgCuTi合金釬料熔化后，鈦元素與Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成Ti2O，隨后Ti2O與鈦、銅反應(yīng)生成Ti3Cu3O化合物，與陶瓷基板實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。AgCuTi合金釬料釬焊Si3N4陶瓷時(shí)，釬料中的鈦與Si3N4反應(yīng)生成TiN與Ti5Si3化合物，實(shí)現(xiàn)了焊層和Si3N4陶瓷的冶金連接[34-36]。熊麗媛[37]采用自制的AgCuTi合金釬料，在930℃下保溫10min釬焊AlN陶瓷與無氧銅，發(fā)現(xiàn)陶瓷與焊層界面附近生成了TiN化合物層，實(shí)現(xiàn)了焊層與陶瓷的良好結(jié)合。
AgCuTi合金釬焊層作為銅板與陶瓷的中間層，能夠緩沖兩種材料因熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的應(yīng)力及變形。界面結(jié)合的牢固程度和AgCuTi合金釬料與陶瓷基板的TiN界面反應(yīng)層厚度有關(guān)，提高釬焊溫度、延長釬焊保溫時(shí)間等方式均能增加反應(yīng)層厚度，從而提高結(jié)合強(qiáng)度。有研究顯示TiN反應(yīng)層厚度在1.0~1.5μm時(shí)對界面結(jié)合有促進(jìn)作用，但過厚的TiN反應(yīng)層會降低焊層強(qiáng)度。Si3N4陶瓷與AgCuTi合金釬料在界面反應(yīng)過程中還會生成Ti-Si脆性相，該相尺寸增大會限制反應(yīng)層厚度增加，厚度持續(xù)增加會對焊層結(jié)合力產(chǎn)生負(fù)面影響[38-39]。
3. 陶瓷基覆銅板的穩(wěn)定性
陶瓷基覆銅板的產(chǎn)品性能和應(yīng)用進(jìn)展直接受到AgCuTi合金釬料及AMB工藝影響。目前，關(guān)于陶瓷基覆銅板穩(wěn)定性的研究主要聚焦在焊后陶瓷基覆銅板的焊層空洞率以及熱循環(huán)可靠性方面[40-41]。
3.1 空洞率
空洞率是表征陶瓷基覆銅板焊層致密程度的重要指標(biāo)，可以通過X射線透射儀掃描試樣，用掃描面中空洞的投影面積除以掃描面的總面積來計(jì)算[42]。焊層出現(xiàn)空洞會增大該區(qū)域的熱阻，降低陶瓷基覆銅板的導(dǎo)熱散熱能力，同時(shí)由于空洞處陶瓷與銅板未有效結(jié)合，還會降低陶瓷基覆銅板的可靠性。焊層空洞周圍也可能會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，對陶瓷基覆銅板的電氣性能造成不良影響[43]。因此，降低空洞率已成為國內(nèi)外AgCuTi合金釬料研究和陶瓷基覆銅板生產(chǎn)的重要目標(biāo)[44]。
AgCuTi合金釬焊層產(chǎn)生空洞的原因有如下幾個方面。（1）基板材料的表面狀態(tài)。陶瓷基板和銅板表面的油污、氧化程度和劃痕凹陷等都會影響界面潤濕性，導(dǎo)致焊層出現(xiàn)空洞，甚至出現(xiàn)未焊合情況[45]。（2）釬焊時(shí)的真空度。金屬鈦易氧化，會提前與釬焊氣氛中的氧元素發(fā)生反應(yīng)并被消耗，導(dǎo)致陶瓷界面處的反應(yīng)不充分，從而產(chǎn)生空洞，因此高溫釬焊時(shí)真空度通常需要達(dá)到10−3Pa級別，且整個釬焊過程都要維持這一真空度。以焊膏形式應(yīng)用時(shí)添加的有機(jī)釬焊助劑在高溫下分解會產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致爐內(nèi)真空度下降，未排出的氣體留在焊層就會形成空洞[46]。（3）印刷和釬焊工藝。以焊膏形式應(yīng)用時(shí)需要通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)將焊膏涂敷在陶瓷基板兩側(cè)，如果在此過程中發(fā)生印刷不均勻、漏印或未印上等情況，就會導(dǎo)致空洞出現(xiàn)；釬焊時(shí)若釬焊溫度不夠或者保溫時(shí)間不足，釬料與陶瓷基板的潤濕、反應(yīng)不充分，同樣會產(chǎn)生空洞[47]。
針對上述原因，張義政等[46]通過化學(xué)法（酸洗）+還原法（氫還原）處理Si3N4陶瓷和焊片表面，并調(diào)整AMB工藝參數(shù)，獲得了低空洞率的最佳工藝參數(shù)為釬焊壓力2N、釬焊溫度900℃；同時(shí)指出，原料表面的雜質(zhì)阻礙了鈦與氮元素的結(jié)合，釬焊工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致AgCuTi合金釬料的流動性變差，難以全面覆蓋陶瓷基板。原料表面雜質(zhì)污染和釬焊工藝參數(shù)不當(dāng)會共同導(dǎo)致空洞的形成。
目前，有關(guān)焊層空洞率影響因素的研究主要集中在母材基板表面潔凈狀態(tài)、釬焊溫度等方面。后續(xù)還應(yīng)從陶瓷表面粗糙度、焊膏中有機(jī)物種類及釬料潤濕性等方面開展研究。
3.2 熱循環(huán)可靠性
IGBT模塊在高電壓和大電流條件下運(yùn)行會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量需要通過陶瓷基覆銅板進(jìn)行傳導(dǎo)。同時(shí)，由于IGBT模塊在服役期間會頻繁地?cái)嚅_與閉合，陶瓷基覆銅板常面臨高頻次的周期性高低溫循環(huán)。在此過程中，陶瓷基板、焊層、銅板之間會因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形，導(dǎo)致覆銅板脫層或斷裂。因此，陶瓷基覆銅板的熱循環(huán)可靠性在IGBT模塊的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證中是重要的考慮因素之一，通常通過熱循環(huán)測試來表征[48-49]。
余曉初等[50]比較了不同銅板厚度的Si3N4、AlN、Al2O3陶瓷基覆銅板在−45~150℃條件下的高低溫循環(huán)沖擊次數(shù)，發(fā)現(xiàn)Si3N4陶瓷基覆銅板的表現(xiàn)最佳，其循環(huán)次數(shù)分別為AlN、Al2O3陶瓷基覆銅板的10倍和100倍；楊春燕等[51]研究發(fā)現(xiàn)，在−65~150℃循環(huán)條件下沖擊測試后，Si3N4陶瓷基覆銅板未出現(xiàn)裂紋等缺陷，Al2O3陶瓷基覆銅板在經(jīng)過100次沖擊后，焊層出現(xiàn)明顯裂紋?？梢奡i3N4陶瓷作為基板材料，可以大幅提升陶瓷基覆銅板的熱循環(huán)可靠性，從而延長IGBT模塊的使用壽命。
陶瓷基覆銅板的熱循環(huán)可靠性除了與陶瓷基板材料本身性能有關(guān)，還與焊層空洞率密切相關(guān)。在陶瓷基覆銅板的使用過程中，空洞部位熱量傳導(dǎo)不佳，溫度明顯高于無空洞區(qū)域，而且位于陶瓷基覆銅板中心位置的空洞對熱循環(huán)可靠性的危害要大于邊緣位置的空洞?？斩刺幫瑫r(shí)還是應(yīng)力集中區(qū)域，裂紋更易在此處萌生，導(dǎo)致熱循環(huán)可靠性降低。焊層空洞越大、空洞率越高，陶瓷基覆銅板的熱循環(huán)可靠性就越低；反之，焊層的致密程度越高，連續(xù)性越好，與基板材料的結(jié)合越緊密，陶瓷基覆銅板的熱循環(huán)可靠性越高[52]。隨著IGBT半導(dǎo)體朝向更大功率、更小體積發(fā)展，提高陶瓷基覆銅板的熱循環(huán)可靠性變得更加迫切。
4. 結(jié)束語
陶瓷基覆銅板作為IGBT封裝材料備受關(guān)注，AMB工藝結(jié)合AgCuTi合金釬料是陶瓷基覆銅板的主流制備方式，釬料對陶瓷基板與銅板的潤濕能力以及界面反應(yīng)對實(shí)現(xiàn)陶瓷基板和銅板的良好結(jié)合至關(guān)重要。AgCuTi合金釬料的潤濕能力受釬料組分（如鈦、銀、銅含量）、釬焊溫度和陶瓷基板表面狀態(tài)等多種因素影響，同時(shí)釬料與母材界面形成的化合物層能提高結(jié)合強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，AgCuTi合金釬料主要有焊片和焊膏兩種形式，焊片因鈦脆性大而在制備時(shí)易斷裂，焊膏釬焊的自動化程度高，但含有的有機(jī)物揮發(fā)會影響釬焊效果。
AgCuTi合金釬料釬焊陶瓷基覆銅板會面臨焊層空洞以及在溫度循環(huán)變化環(huán)境下易出現(xiàn)脫層、斷裂等有關(guān)熱循環(huán)可靠性等問題。焊層空洞的產(chǎn)生與基板表面狀態(tài)、釬焊真空度、印刷及釬焊工藝相關(guān)，而熱循環(huán)可靠性受陶瓷基板材料性能和空洞率共同影響。目前，在AgCuTi合金釬料焊膏有機(jī)助劑和釬料潤濕性對空洞抑制影響方面的研究尚不充分，在調(diào)整釬料組分和控制空洞以提升熱循環(huán)可靠性方面的研究也有待深入。未來研究方向應(yīng)聚焦在以下幾個方面：（1）研發(fā)低銀、無銀釬料，滿足成本控制和高利潤需求；（2）深入探究釬焊工藝參數(shù)對焊層空洞的影響；（3）進(jìn)一步研究釬料組分和焊層空洞與熱循環(huán)可靠性的關(guān)系，調(diào)整組分、減少空洞以提高可靠性；（4）關(guān)注AgCuTi合金釬料制備和陶瓷基覆銅板生產(chǎn)過程的綠色無害化，減少環(huán)境污染。
文章來源——材料與測試網(wǎng)