提高貴金屬銲材在電力設備中的可靠性

電子感測器材料半導體接合與封裝

2022/06/01

《焊接技術》月刊 2022年6月刊
田中貴金屬工業株式會社

1.簡介

功率器件是用於轉換功率的半導體設備，並且用於許多應用，例如汽車，可再生能源，工業設備等。其中，在汽車應用中，混合動力化和電動化正在進行，對動力裝置的需求逐年增加。另外，在性能方面，正在進行高效率，小型化和高功率的開發，並且在構成功率器件的每個部件中，提高了性能並提高了承受更惡劣使用環境的可靠性。這是必需的。

圖1表示電源裝置的結構。功率器件由多個部件組成，這些材料是各種材料，例如半導體，金屬，陶瓷等。另外，構件彼此接合，並且在多個界面處執行不同材料的接合。當動力裝置不工作時，例如，當汽車停放時，它將被冷卻到接近外部溫度的溫度。特別是在冬季，氣溫在零度以下，有些地區甚至會降到零下幾十度。另一方面，當汽車開始運行時，電力流動到動力裝置並產生熱量，溫度上升到一百幾十度。以這種方式，每當重復功率裝置的操作時，重復地進行發熱和冷卻，並且重復的熱衝擊施加到構成功率裝置的部件及其接合部，並且特別大的力施加到不同材料的接合部。

功率元件的組成元件之一是陶瓷迴路基板。它由一塊陶瓷板和兩側粘合的銅片構成。正面用作迴路，背面用作散熱器。位於中心的陶瓷板起到迴路與冷卻系統之間的電絕緣作用，同時也承擔將半導體元件產生的熱量散發到冷卻系統的重要功能。由於功率元件工作產生的熱量，黏合在陶瓷板表面的銅片會顯著膨脹，並在裝置停止工作冷卻時收縮。而陶瓷幾乎沒有熱膨脹。因此，在陶瓷迴路基板中，只有銅片會隨著溫度變化而反覆膨脹和收縮，而銅片與陶瓷的黏合界面會因溫度變化引起的膨脹和收縮而承受反覆的應力。此外，雖然功率元件的最高工作溫度傳統上約為150°C，但對更高溫度（例如175°C和200°C）的需求正在不斷增長。 1）這意味著對能夠承受熱衝擊並具有更高可靠性的陶瓷迴路基板的需求日益增長。此外，雖然過去通常使用厚度約為0.3毫米的銅板粘合在陶瓷板上，但人們正在嘗試使用厚度為0.8毫米或更厚的銅板來提高散熱性能，而且對陶瓷迴路基板的性能要求也在不斷提高。

本文針對功率元件之一的陶瓷迴路基板進行研究，以提高其可靠性。

2.應用背景和目標

陶瓷迴路基板中陶瓷板與銅的連接方法有多種，其中一種是釬焊。

釬焊通常是一種用於連接金屬的連接方法，但無法透過釬焊連接陶瓷。然而，透過使用一種稱為活性金屬焊料可以直接釬焊陶瓷。活性金屬釬料是指透過添加鈦等活性金屬作為添加劑來提高其對陶瓷潤濕性的釬料。透過在銀和銅中添加鈦製成的活性金屬焊料已被廣泛應用，並用於陶瓷迴路基板的製造。

圖2展示了陶瓷迴路基板的典型製造方法。首先，用於連接的活性金屬焊料呈現膏材。這種膏材填充料膏由銀粉、銅粉和鈦粉與有機溶劑混合製成。將釬焊填充料膏材塗覆在氮化矽等陶瓷板上，並在其上放置一塊銅板。然後在真空環境下加熱，使釬焊填充料膏材熔化並進行釬焊。銀銅共晶合金的熔點為780℃，因此釬焊可在800℃左右的溫度下進行。然而，如前所述，本方法中使用的膏材料膏是銀粉、銅粉和鈦粉的混合物，因此在800℃時不會熔化。因此，需要將其加熱到900℃以上（接近銀的熔點）的溫度，然後進行釬焊。

釬焊後，銅與陶瓷的兩側結合，但由於迴路圖案必須形成於陶瓷的一側，因此需要將該側的銅蝕刻掉。為了形成迴路圖案，首先對銅表面進行掩膜處理，然後使用化學試劑進行蝕刻。此外，由於蝕刻掉銅後會殘留一層釬焊填充金屬，因此也需要蝕刻這層金屬以形成迴路圖案。完成這些步驟後，陶瓷迴路基板就製作完成了。

雖然陶瓷迴路基板是採用這種製程製造的，但使用這種方法有幾個可靠性問題：首先是釬焊溫度過高（超過 900°C）的影響，其次是由於蝕刻而對陶瓷造成的損壞。

首先，關於高溫釬焊，陶瓷的熱膨脹係數通常小於金屬，高溫釬焊後冷卻時，陶瓷與金屬熱膨脹係數的差異會導致接合界面產生較大的殘餘應力。如本文開頭所述，每次功率設備運作時，都會經歷從這種狀態到最終狀態的反覆熱衝擊。然而，由於釬焊過程本身就會對銅施加較大的應力，因此需要盡可能降低釬焊溫度，以抑制銅的膨脹，並最大限度地減少與陶瓷接合界面處產生的應力。但是，由於使用的是由銀、銅和鈦粉混合而成的活性金屬焊料膏材，因此降低釬焊溫度較為困難。

其次，關於蝕刻造成的損傷，陶瓷-銅界面透過釬焊填充金屬層連接，但活性金屬焊料之間的界面處形成鈦化合物層。如果釬焊填充金屬層或鈦化合物層殘留在陶瓷表面，則無法確保迴路圖案之間的絕緣，從而存在電流流向意外位置的風險，因此必須將其徹底清除。目前，去除鈦化合物的方法包括使用氟化銨等處理劑。雖然這種方法可以去除鈦化合物，但也可能損壞陶瓷基板和氮化矽本身，從而降低可靠性。

因此，傳統方法存在許多問題，而這些問題在未來對耐久性和可靠性要求更高時將會更加突出。所以，有必要開發一種能夠解決這些問題的新型陶瓷迴路基板製造方法。

3.技術內容

為了解決上述問題，我們研究了一種陶瓷迴路基板的製造方法，該方法允許更低的釬焊溫度，且無需蝕刻製程。作為解決方案，我們研究了活性金屬焊料/覆銅覆層材料的使用活性金屬焊料料被銅金屬複合，我們將對此進行詳細闡述。圖3展示了活性金屬焊料/覆銅覆層材料的照片。其結構為：在銅的一側附著一層薄薄的活性金屬焊料。板材和活性金屬焊料連續黏合在一起，然後透過沖壓成型。銅的厚度為0.8 mm，釬料的厚度為20 µm。

此複合材料中使用的釬焊填充金屬為AgCuSnTi合金。如上所述，由銀、銅和鈦組成的活性金屬焊料是已知的，AgCuTi合金釬焊填充金屬板材也有商業化產品。然而，當AgCuTi合金熔化鑄造並加工成薄片製成箔材時，金屬結構中會出現粗大的CuTi化合物，如圖4所示。這些粗大的化合物非常堅硬，隨著加工的進行，它們會從板材表面脫落或從材料中析出，導致板材出現破損或孔洞，使其難以加工成薄片或箔材。自然，也無法將其與銅層壓。

因此，我們先前研究了透過向AgCuTi合金中添加添加劑來改善其結構的可能性，並發現使用AgCuSnTi合金可以實現鈦化合物的精細分散，從而開發出活性金屬焊料。這次，我們利用這種AgCuSnTi合金，成功製備了上述覆層材料原型。

圖 5展示了採用活性金屬焊料銅覆層材料的陶瓷迴路基板製造流程。活性金屬焊料金屬釬焊填充銅覆層材料被壓製成所需形狀，例如迴路或散熱器，並放置在陶瓷板上。定位可透過碳夾具或類似工具實現。然後，在真空爐中加熱進行釬焊。本研究中所使用的釬焊填充金屬的熔點約為 750°C。由於此釬焊填充金屬為合金，因此可在 800°C 下進行釬焊，無需像上述膏材那樣加熱至 900°C 以上。此外，由於所需形狀已通過壓製成型，釬焊後無需蝕刻工藝，從而避免了蝕刻工藝對陶瓷造成的損壞風險。因此，我們認為採用活性金屬焊料銅覆層材料的新型製造工藝克服了上述傳統方法的不足之處。

4.迄今為止的成果

圖 6顯示了一個陶瓷迴路基板的樣品，該電路板實際上是使用活性金屬焊料/覆銅覆層材料進行釬焊的。

尺寸方面，復合材料為0.8×30×30mm (蠟材層20μm)，氮化硅厚度為0.32mm。

圖7顯示了鍵合後界面的觀察結果。觀察採用透射電子顯微鏡（TEM）進行。 TEM觀察證實，鈦集中在陶瓷附近，並且該鈦層均勻分佈在整個鍵合界面上。從靠近氮化矽的一側開始，鈦層為TiN-Ti5Si3。這些化合物通常在氮化矽與活性金屬焊料結時形成<sup>2</sup>。我們認為，釬焊是由於AgCuSnTi合金活性金屬焊料與氮化矽反應而發生的。此外，據報道，當氮化物基陶瓷與活性金屬焊料合時，在陶瓷與釬焊填充金屬的界面處形成過量的TiSi層會導致強度下降<sup>3</sup>。在本例中，TiNi層存在於整個鍵結界面上，但Ti5Si3層僅部分形成且不連續。這不會造成形成脆化層從而對黏合可靠性產生不利影響的風險，我們認為已經獲得了良好的黏合效果。

接下來，進行熱迴圈測試以評估可靠性。熱迴圈試驗是一種模擬功率器件工作的評價試驗，通過交替移動冷卻室和加熱室對試驗樣品進行熱衝擊，評價其對熱衝擊的耐久性。此次，冷卻室設定為-50°C,加熱室設定為175°C,各保持時間為30分鐘，在1個迴圈1小時的條件下進行了試驗。作為評價方法，使用超聲波探傷，對釬焊後的狀態、熱迴圈試驗每250個迴圈的狀態進行測量並進行評價。

熱迴圈測試結果圖8) 中被調用，將出現故障。

釬焊後、熱循環測試前，未發現空隙或剝落，證實銅和陶瓷在整個表面牢固結合。此外，即使測試進行到250次和500次循環，乃至1500次循環後，此狀態均未發生變化。這證明該基材具有足夠的抗熱衝擊性能，並且採用活性金屬焊料銅複合材料製造的陶瓷基板具有較高的抗熱衝擊可靠性。

5.未來發展

為了確保更高的可靠性，我們認為進一步降低釬焊溫度是一種解決方案。目前，我們正在優化釬焊材料的成分以降低釬焊溫度。此外，隨著功率元件尺寸的不斷縮小和輸出功率密度的不斷提高，我們認為必須提高散熱性能。作為解決方案，我們也在研究一種雙面冷卻結構。圖 9展示了這種雙面冷卻結構的應用範例。傳統上，半導體元件產生的熱量只能向下單向散發。然而，透過在兩側放置陶瓷迴路基板，熱量可以向上和向下雙向散發，從而提高散熱性能。我們也正在考慮一種方法，即在陶瓷迴路基板表面同時形成端子和迴路圖案。由於活性金屬焊料/覆銅覆層材料可以壓製成任意形狀，我們相信利用活性金屬焊料/覆銅覆層材料的特性，可以輕鬆製造出所需的形狀。

6.結束語

陶瓷迴路基板是電源裝置的元件，傳統製造方法會在高溫下進行銅焊，以及在蝕刻過程中對陶瓷造成化學損害，這些都會降低陶瓷的可靠性，令人擔心陶瓷將無法應付未來預期更嚴峻的操作環境。

為了解決這個問題，我們開發了活性金屬焊料/銅覆層材料，並研究了一種降低釬焊溫度且不需要蝕刻製程的方法。

釬焊溫度可從傳統的900℃或更高降低100℃至800℃，並且透過在釬焊前壓製迴路形狀，無需蝕刻製程。採用這種新方法生產的陶瓷迴路基板樣品進行了熱循環測試，在-50℃至175℃的溫度範圍內測試，其耐久性超過1500次循環，表明已成功生產出一種高可靠性的陶瓷迴路基板，能夠滿足未來預期在惡劣環境下使用的需求。

我們還計劃繼續推進多項研發工作，例如進一步降低釬焊溫度、優化活性金屬焊料的組成、應用覆層材料，以及開發雙面冷卻結構以實現更高的散熱性能。我們希望這些技術能提高功率元件的可靠性，實現更有效率的能源利用，並為我們美麗的星球的未來做出貢獻。