大功率電子產(chǎn)品已成為半導(dǎo)體行業(yè)增長最快的細分市場之一。由于這些應(yīng)用中使用的電力電子模塊在高電壓和高電流密度下運行，因此它們必須能夠應(yīng)對高溫和惡劣條件。高可靠性電力電子模塊的關(guān)鍵部件之一是可靠的金屬陶瓷基板。

為了在操作期間提供可靠的功能，基板材料必須提供出色的電氣、熱、絕緣和機械性能。此外，它們必須使用常用的組裝和互連技術(shù)，如焊接、燒結(jié)和引線鍵合。

由于成本效益，Al 2 O 3基金屬陶瓷基板，即直接銅鍵合基板，通常用于功率模塊制造。然而，Al 2 O 3基陶瓷不能充分發(fā)揮寬帶隙半導(dǎo)體的潛力。因此，氮化硅Si 3 N 4基金屬陶瓷基板作為功率模塊組裝材料越來越受歡迎。Si 3 N 4顯示出優(yōu)異的機械性能和高導(dǎo)熱性。

高度可靠的 Si 3 N 4基基板通常采用活性金屬釬焊 （AMB） 技術(shù)制造，該技術(shù)使用含銀和活性金屬（即鈦）的釬焊膏 。釬焊膏中的貴金屬含量和緩慢的真空釬焊工藝是 AMB 基板價格的主要驅(qū)動因素。然而，Heraeus Electronics 開發(fā)了一種按成本設(shè)計、高度可靠的無銀厚膜銅鍵合 （Condura Ultra?） 技術(shù)，用于將氮化物基陶瓷與銅箔接合。該焊膏無需使用昂貴的真空釬焊技術(shù)。但與行業(yè)基準(zhǔn) AMB 基板相比，TCFB 的性能如何？

圖 1. 通過 SEM 測量的典型 TFCB? 微觀結(jié)構(gòu)。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

為了比較 Condura Ultra 與 AMB 的性能，我們進行了各種可靠性和應(yīng)用相關(guān)測試，例如熱沖擊 （-65°C/+150°C）、剝離強度和高溫儲存（175°C，1000 小時）實施。實驗結(jié)果如下。

相形成

Condura Ultra 技術(shù)在 Si 3 N 4陶瓷上的相形成和鍵合機制通過掃描電子顯微鏡 （SEM） 進行了表征，如圖 1 所示。實際的鍵合機制基于活性金屬（鈦）和 Si 之間的反應(yīng)。3 N 4陶瓷，形成穩(wěn)定的TiN層。由于 Condura Ultra 系統(tǒng)中不含銀，因此消除了典型的 Ag 相和 Curich 相，這在標(biāo)準(zhǔn) AMB 技術(shù)中已知為使用含銀量高的釬焊填充金屬膏。然而，通過TiN反應(yīng)層與Si 3 N 4陶瓷的鍵合機制是相似的。

熱沖擊性能

由于陶瓷的機械穩(wěn)健性，基于Si 3 N 4的 AMB 基板滿足最高的熱沖擊測試 （TST） 性能要求。評估 Condura Ultra 在 Si 3 N 4上的電阻與熱機械應(yīng)力如圖 2 所示，使用內(nèi)部測試布局（30.6x29 mm2，0.5 mm Cu 在 0.32 mm 陶瓷上）進行熱沖擊測試。測試前 Condura Ultra 基板的狀態(tài)通過掃描聲學(xué)顯微鏡 （SAM） 和如圖 2 左側(cè)所示。紅色表示蝕刻的隔離槽，它是所用測試布局的一部分。如果銅和釬焊金屬/陶瓷之間因熱沖擊而分層，則 SAM 圖片中的紅色隔離槽會變寬。在 3000 和 5000 次熱沖擊循環(huán)后，SAM 重新評估了基板的完整性。結(jié)果顯示在圖 2 的中間和右側(cè)，說明在 Condura Ultra 的初始狀態(tài)和循環(huán)后的 Condura Ultra 之間隔離槽沒有明顯變寬，證明陶瓷和釬焊金屬之間沒有發(fā)生分層。這表明 Condura Ultra 技術(shù)可以充分利用 Si 的機械穩(wěn)健性3 N 4陶瓷，同AMB技術(shù)。

（A） 0 個周期。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

（B） 3000 次循環(huán)。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

（C） 5000 次循環(huán)。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 2. 20 個單獨的 TFCB? 測試布局在熱沖擊測試前后的 SAM 圖片。測試條件和進一步的細節(jié)在文中提到。5000 次循環(huán)后沒有明顯的退化。

銅剝離強度

銅剝離強度表征銅箔對陶瓷的粘合強度。使用簡單的剝離測試，其中使用 Condura Ultra 技術(shù)將銅剝離條（10 毫米寬 x 0.3 毫米厚）釬焊到一塊 0.32 毫米厚的 Si 3 N 4陶瓷上。剝離Cu并測量力。圖 3 顯示了剝離后剝離測試樣品的示例。該樣品的剝離強度平均為 105 N/cm。剝離強度很大程度上取決于所測試的基材類型和技術(shù)。

圖 3. 剝離試驗后的剝離試驗樣品。剝離條和基板上殘留深色，表明Si 3 N 4已被拉出。小矩形表示 EDS 映射的位置，如圖 4 所示。圖片由 Bodo 的 Power Systems提供

仔細檢查剝離樣品的失效模式可以提供有關(guān)粘合質(zhì)量的有價值的信息。圖 3 顯示了剝離測試后剝離的銅帶和剩余的基板對應(yīng)物（右側(cè)）。可以看到剝離條和對應(yīng)物上的深色，表明從陶瓷基板中拉出 Si 3 N 4顆粒。這種失效模式也經(jīng)常出現(xiàn)在 Si 3 N 4 AMB 基板上。然而，Condura Ultra 基板的反應(yīng)區(qū)內(nèi)沒有出現(xiàn)故障。EDS 相圖（圖 4）證明了這一點，顯示剝離條上的大部分剩余材料源自 Si 3 N 4陶瓷而非釬焊金屬，這表明 Condura Ultra 工藝實現(xiàn)了強大的粘合機制。

圖 4. 從上面剝離的條帶的 EDS 相圖。紅色表示 Si3N4 相，藍色表示來自釬焊金屬的相。 圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

熱阻

金屬陶瓷基板的熱阻R th是功率模塊設(shè)計的重要因素。較低的熱阻可實現(xiàn)更高的功率密度，從而減小芯片尺寸。R th的主要貢獻者是銅和陶瓷的厚度和類型。Condura Ultra 界面形成與 AMB 不同；因此，需要排除來自釬焊金屬或反應(yīng)區(qū)本身的任何潛在的 R th貢獻。

圖 5. HTS 之前 AMB 和 TFCB 底物的累積結(jié)構(gòu)函數(shù)。“S”表示被測系統(tǒng)的區(qū)域。 圖片由 Bodo’s Power Systems提供

瞬態(tài)雙界面法用于評估金屬陶瓷基板的熱阻。二極管被燒結(jié)在 AMB 和 Condura Ultra 基板上，累積結(jié)構(gòu)函數(shù)通過在加熱組件后的冷卻曲線測量中計算得出，二極管的電流為 40 A。R th然后通過檢測在不同邊界條件下測量的兩個結(jié)構(gòu)函數(shù)的發(fā)散點來評估系統(tǒng)的性能，即組件通過兩種不同的熱界面材料 （TIM） - 石墨箔和導(dǎo)熱油脂 - 連接到冷卻系統(tǒng)。得到的結(jié)構(gòu)函數(shù)如圖 5 所示。兩種基板類型的發(fā)散點相似，表明 AMB 基板和 Condura Ultra 基板在初始狀態(tài)下的熱性能沒有差異。之后，Condura Ultra 基材在 175°C 的高溫儲存 （HTS） 測試中老化 1000 小時，以對釬焊金屬施加應(yīng)力并證明釬焊填充金屬系統(tǒng)是穩(wěn)定的。高溫超導(dǎo)后初始狀態(tài)和老化基板之間沒有觀察到差異，

熱阻模擬

進行熱模擬以評估導(dǎo)熱率和基板中釬焊金屬層的厚度對其總熱阻的影響。應(yīng)用有限元法 （FEM） 來包括熱擴散和其他幾何效應(yīng)。對典型芯片基板設(shè)置的簡化幾何形狀進行了仿真，包括基板本身、陶瓷/Cu 界面兩側(cè)的銅焊金屬層以及附有燒結(jié)銀芯片的硅芯片（圖 6）。在模擬中，芯片在其體積內(nèi)以 200 W 的恒定功率加熱 30 秒，同時基板底部保持在 25°C 的恒定溫度。

圖 6. 用于 FEM 仿真的布局。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

為了評估導(dǎo)熱性和釬焊金屬層厚度對 Condura Ultra 熱性能的影響，改變了這兩個參數(shù)，并將芯片的 R th作為基本結(jié)果進行跟蹤。R th基于模擬的最大芯片溫度變化 dT J和施加的功率計算。通常，靠近芯片的區(qū)域受熱最多，而較遠的區(qū)域不會出現(xiàn)明顯的溫度變化（圖 7）。

圖 7. 沒有 TIM 的 TFCB 芯片組件在穩(wěn)定狀態(tài)下的典型溫度分布。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

作為下一步，進行了數(shù)值實驗設(shè)計 （DoE）。目標(biāo)是確定哪些不同的參數(shù)（熱導(dǎo)率和釬焊金屬層的厚度）對基板的 R th影響最大。對于這個 DoE，OPTISLANG 程序創(chuàng)建了 30 個模擬，分布在由參數(shù)邊界定義的整個設(shè)計空間中。在計算了這些結(jié)果并確定了它們的 R th之后，創(chuàng)建了一個降階模型，該模型允許對輸入?yún)?shù)（熱導(dǎo)率和厚度）對結(jié)果（熱阻）的影響進行排序。用于模擬的參數(shù)的間隔見下表：

圖 8. 有限元模擬的 DoE 輸出顯示了釬焊金屬層的厚度和釬焊金屬層的導(dǎo)熱率對熱阻的影響。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

敏最大限度

釬焊金屬層厚度 （μm）2060

釬焊金屬的熱導(dǎo)率（W/mK）51140

表 1. 用于 FEM 仿真的屬性概述。

釬焊金屬層的熱導(dǎo)率由其成分定義，其近似于青銅成分CuSn x。［7］。釬焊金屬層厚度的典型變化約為 20 至 60 μm，并通過樣品的橫截面和隨后的二次電子顯微鏡分析進行估計。

釬焊金屬層的熱導(dǎo)率、釬焊金屬層的厚度和相應(yīng)的熱阻之間的相關(guān)性可以在圖 8 的表面圖中觀察到。主要影響因素是釬焊金屬層的熱導(dǎo)率。在朝向較低熱導(dǎo)率的區(qū)域中觀察到R th的最強變化，而對較高值的影響減小。使用表中的輸入，從圖 8 中提取的 R th值在 0.088 到 0.104 K/W 之間變化。將該理論可能范圍與 （0.13 ± 0.03） K/W 的測量結(jié)果進行比較表明，實驗值和模擬值是一致的。可以說，完成了對 Condura Ultra 基板的整體熱理解。

Heraeus Electronics 的 Condura Ultra 技術(shù)的性能通過熱沖擊、剝離強度、局部放電、熱測量和熱模擬得到證明。調(diào)查表明，Condura Ultra 技術(shù)能夠使用無銀 Condura Ultra 焊膏和非真空釬焊工藝制造具有成本效益但高度可靠的金屬陶瓷基板。