提高贵金属钎料在电力设备中的可靠性

电子感测器材料半导体接合与密封

2022/06/01

《焊接技术》月刊 2022年6月刊
田中贵金属工业株式会社

1.简介

功率器件是用于转换功率的半导体设备，并且用于许多应用，例如汽车，可再生能源，工业设备等。其中，在汽车应用中，混合动力化和电动化正在进行，对动力装置的需求逐年增加。另外，在性能方面，正在进行高效率，小型化和高功率的开发，并且在构成功率器件的每个部件中，提高了性能并提高了承受更恶劣使用环境的可靠性。这是必需的。

图1表示电源装置的结构。功率器件由多个部件组成，这些材料是各种材料，例如半导体，金属，陶瓷等。另外，构件彼此接合，并且在多个界面处执行不同材料的接合。当动力装置不工作时，例如，当汽车停放时，它将被冷却到接近外部温度的温度。特别是在冬季，气温在零度以下，有些地区甚至会降到零下几十度。另一方面，当汽车开始运行时，电力流动到动力装置并产生热量，温度上升到一百几十度。以这种方式，每当重复功率装置的操作时，重复地进行发热和冷却，并且重复的热冲击施加到构成功率装置的部件及其接合部，并且特别大的力施加到不同材料的接合部。

功率器件的组成元件之一是陶瓷回路基板。它由一块陶瓷板和两侧粘合的铜片构成。正面用作回路，背面用作散热器。位于中心的陶瓷板起到回路与冷却系统之间的电绝缘作用，同时还承担着将半导体元件产生的热量散发到冷却系统的重要功能。由于功率器件工作产生的热量，粘合在陶瓷板表面的铜片会显著膨胀，并在器件停止工作冷却时收缩。而陶瓷几乎没有热膨胀。因此，在陶瓷回路基板中，只有铜片会随着温度变化反复膨胀和收缩，而铜片与陶瓷的粘合界面会因温度变化引起的膨胀和收缩而承受反复的应力。此外，虽然功率器件的最高工作温度传统上约为150°C，但对更高温度（例如175°C和200°C）的需求正在不断增长。 1）这意味着对能够承受热冲击并具有更高可靠性的陶瓷回路基板的需求日益增长。此外，虽然过去通常使用厚度约为0.3毫米的铜板粘合在陶瓷板上，但人们正在尝试使用厚度为0.8毫米或更厚的铜板来提高散热性能，而且对陶瓷回路基板的性能要求也在不断提高。

本文报告了功率器件组件之一的陶瓷回路基板，研究的目的是提高其可靠性。

2.应用背景和目标

陶瓷回路基板中陶瓷板与铜的连接方法有多种，其中一种是钎焊。

钎焊通常是用于连接金属的一种连接方法，而陶瓷不能通过钎焊连接。不过，通过使用一种名为活性金属钎料的特殊钎料，可以直接对陶瓷进行钎焊。活性金属是一种钎焊材料，其中添加了钛等活性金属作为添加剂，以提高陶瓷的润湿性。含钛的银和铜活性金属钎料，并广泛用于陶瓷生产回路基板。

图2展示了陶瓷回路基板的典型制造方法。首先，用于连接的活性金属钎料呈浆料。这种浆料填充料膏由银粉、铜粉和钛粉与有机溶剂混合制成。将钎焊填充料浆料涂覆在氮化硅等陶瓷板上，并在其上放置一块铜板。然后在真空环境下加热，使钎焊填充料浆料熔化并进行钎焊。银铜共晶合金的熔点为780℃，因此钎焊可在800℃左右的温度下进行。然而，如前所述，本方法中使用的浆料料膏是银粉、铜粉和钛粉的混合物，因此在800℃时不会熔化。因此，需要将其加热到900℃以上（接近银的熔点）的温度，然后进行钎焊。

钎焊后，铜与陶瓷的两侧结合，但由于回路图案必须形成于陶瓷的一侧，因此需要将该侧的铜蚀刻掉。为了形成回路图案，首先对铜表面进行掩膜处理，然后使用化学试剂进行蚀刻。此外，由于蚀刻掉铜后会残留一层钎焊填充金属，因此也需要蚀刻这层金属以形成回路图案。完成这些步骤后，陶瓷回路基板就制作完成了。

虽然陶瓷回路基板是采用这种工艺制造的，但使用这种方法存在几个可靠性问题：首先是钎焊温度过高（超过 900°C）的影响，其次是由于蚀刻而对陶瓷造成的损坏。

首先，关于高温钎焊，陶瓷的热膨胀系数通常小于金属，高温钎焊后冷却时，陶瓷与金属热膨胀系数的差异会导致接合界面处产生较大的残余应力。正如本文开头所述，每次功率设备运行时，都会经历从这种状态到最终状态的反复热冲击。然而，由于钎焊过程本身就会对铜施加较大的应力，因此需要尽可能降低钎焊温度，以抑制铜的膨胀，并最大限度地减少与陶瓷接合界面处产生的应力。但是，由于使用的是由银、铜和钛粉混合而成的活性金属钎料浆料，因此降低钎焊温度较为困难。

其次，关于蚀刻造成的损伤，陶瓷-铜界面通过钎焊填充金属层连接，但活性金属钎料之间的界面处形成钛化合物层。如果钎焊填充金属层或钛化合物层残留在陶瓷表面，则无法确保回路图案之间的绝缘，从而存在电流流向意外位置的风险，因此必须将其彻底清除。目前，去除钛化合物的方法包括使用氟化铵等处理剂。虽然这种方法可以去除钛化合物，但也可能损坏陶瓷基板和氮化硅本身，从而降低可靠性。

因此，传统方法存在诸多问题，而这些问题在未来对耐久性和可靠性要求更高时将会更加突出。所以，有必要开发一种能够解决这些问题的新型陶瓷回路基板制造方法。

3.技术内容

为了解决上述问题，我们研究了一种陶瓷回路基板的制造方法，该方法允许更低的钎焊温度，且无需蚀刻工艺。作为解决方案，我们研究了活性金属钎料/覆铜复合材料的使用活性金属钎料料被铜金属复合，我们将对此进行详细阐述。图3展示了活性金属钎料/覆铜复合材料的照片。其结构为：在铜的一侧附着一层薄薄的活性金属钎料。板材和活性金属钎料连续粘合在一起，然后通过冲压成型。铜的厚度为0.8 mm，钎料的厚度为20 µm。

该复合材料中使用的钎焊填充金属为AgCuSnTi合金。如上所述，由银、铜和钛组成的活性金属钎料是已知的，AgCuTi合金钎焊填充金属板材也有商业化产品。然而，当AgCuTi合金熔化铸造并加工成薄片制成箔材时，金属结构中会出现粗大的CuTi化合物，如图4所示。这些粗大的化合物非常坚硬，随着加工的进行，它们会从板材表面脱落或从材料中析出，导致板材出现破损或孔洞，使其难以加工成薄片或箔材。自然，也无法将其与铜层压。

因此，我们之前研究了通过向AgCuTi合金中添加添加剂来改善其结构的可能性，并发现使用AgCuSnTi合金可以实现钛化合物的精细分散，从而开发出活性金属钎料。这次，我们利用这种AgCuSnTi合金，成功制备了上述复合材料原型。

图 5展示了采用活性金属钎料铜复合材料的陶瓷回路基板制造工艺。活性金属钎料金属钎焊填充铜复合材料被压制成所需形状，例如回路或散热件，并放置在陶瓷板上。定位可通过碳夹具或类似工具实现。然后，在真空炉中加热进行钎焊。本研究中使用的钎焊填充金属的熔点约为 750°C。由于该钎焊填充金属为合金，因此可在 800°C 下进行钎焊，无需像上述浆料那样加热到 900°C 以上。此外，由于所需形状已通过压制成型，钎焊后无需蚀刻工艺，从而避免了蚀刻工艺对陶瓷造成的损坏风险。因此，我们认为采用活性金属钎料铜复合材料的新型制造工艺克服了上述传统方法的不足之处。

4.迄今为止的成果

图 6显示了一个陶瓷回路基板的样品，该电路板实际上是使用活性金属钎料/覆铜复合材料进行钎焊的。

尺寸方面，复合材料为0.8×30×30mm (蜡材层20μm)，氮化硅厚度为0.32mm。

图7显示了键合后界面的观察结果。观察采用透射电子显微镜（TEM）进行。TEM观察证实，钛集中在陶瓷附近，并且该钛层均匀分布在整个键合界面上。从靠近氮化硅的一侧开始，钛层为TiN-Ti5Si3。这些化合物通常在氮化硅与活性金属钎料合时形成<sup>2</sup>。我们认为，钎焊是由于AgCuSnTi合金活性金属钎料与氮化硅发生反应而发生的。此外，据报道，当氮化物基陶瓷与活性金属钎料合时，在陶瓷与钎焊填充金属的界面处形成过量的TiSi层会导致强度下降<sup>3</sup>。在本例中，TiNi层存在于整个键合界面上，但Ti5Si3层仅部分形成且不连续。这不会造成形成脆化层从而对粘合可靠性产生不利影响的风险，我们认为已经获得了良好的粘合效果。

接下来，进行热循环测试以评估可靠性。热循环试验是一种模拟功率器件工作的评价试验，通过交替移动冷却室和加热室对试验样品进行热冲击，评价其对热冲击的耐久性。此次，冷却室设定为-50°C,加热室设定为175°C,各保持时间为30分钟，在1个循环1小时的条件下进行了试验。作为评价方法，使用超声波探伤，对钎焊后的状态、热循环试验每250个循环的状态进行测量并进行评价。

热循环测试结果图8) 中被调用，将出现故障。

钎焊后、热循环测试前，未发现空隙或剥落，证实铜和陶瓷在整个表面牢固结合。此外，即使测试进行到250次和500次循环，乃至1500次循环后，该状态均未发生变化。这证明该基材具有足够的抗热冲击性能，并且采用活性金属钎料铜复合材料制造的陶瓷基板具有较高的抗热冲击可靠性。

5.未来发展

为了确保更高的可靠性，我们认为进一步降低钎焊温度是一种解决方案。目前，我们正在优化钎焊材料的成分以降低钎焊温度。此外，随着功率器件尺寸的不断缩小和输出功率密度的不断提高，我们认为必须提高散热性能。作为解决方案，我们也在研究一种双面冷却结构。图 9展示了这种双面冷却结构的应用示例。传统上，半导体元件产生的热量只能向下单向散发。然而，通过在两侧放置陶瓷回路基板，热量可以向上和向下双向散发，从而提高散热性能。我们还在考虑一种方法，即在陶瓷回路基板表面同时形成端子和回路图案。由于活性金属钎料/覆铜复合材料可以压制成任意形状，我们相信利用活性金属钎料/覆铜复合材料的特性，可以轻松制造出所需的形状。

6.结束语

由于高温钎焊和蚀刻过程中对陶瓷的化学损害，传统制造方法正在降低作为功率器件组件的陶瓷回路基板的可靠性，人们担心它们将无法应对未来预期的更恶劣的工作环境。

为了解决这个问题，我们开发了活性金属钎料/铜复合材料，并研究了一种降低钎焊温度且不需要蚀刻工艺的方法。

钎焊温度可从传统的900℃或更高降低100℃至800℃，并且通过在钎焊前压制回路形状，无需蚀刻工艺。采用这种新方法生产的陶瓷回路基板样品进行了热循环测试，在-50℃至175℃的温度范围内测试，其耐久性超过1500次循环，表明已成功生产出一种高可靠性的陶瓷回路基板，能够满足未来预期在恶劣环境下使用的需求。

我们还计划继续推进多项研发工作，例如进一步降低钎焊温度、优化活性金属钎料的组成、应用复合材料，以及开发双面冷却结构以实现更高的散热性能。我们希望这些技术能够提高功率器件的可靠性，实现更高效的能源利用，并为我们美丽的星球的未来做出贡献。