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晶體管優(yōu)點的復合功率器件，能夠實現(xiàn)電能的高效轉換與控制，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)電逆變等方面應用廣泛。應用于新能源汽車中時，IGBT因需在高功率條件下工作且設備空間小，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性能和導熱能力更優(yōu)，在IGBT模塊封裝，尤其是在新能源汽車領域中對抗震和導熱要求高、體積小的IGBT模塊方面具有廣闊的應用前景[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”結構，再施以高溫實現(xiàn)銅與陶瓷連接，具有工藝流程簡單、陶瓷板與銅板間結合力高和覆銅板容易蝕刻等優(yōu)點。金屬銅板的線膨脹系數(shù)高于陶瓷基板，二者在進行AMB時會因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生較大的殘余應力，導致覆銅板變形和斷裂；這就要求焊層的熱膨脹系數(shù)應介于陶瓷與銅板之間[11-12]。為了實現(xiàn)銅板與陶瓷間的良好結合，釬料還應能很好地潤濕銅板和陶瓷，并與二者形成冶金結合。目前，工業(yè)中制備覆銅板時采用的主流釬料是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)良的導熱性能和較高的結合強度[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，并細化釬焊時生成的金屬間化合物，從而提高接頭韌性；銅的加入可以增強焊層的強度和韌性，從而提高陶瓷基覆銅板的力學性能；鈦作為活性元素，可以與陶瓷反應從而促使焊層與陶瓷表面的反應結合。在實際生產(chǎn)應用中，AgCuTi合金釬料的應用形式（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?？斩绰史从沉撕笇拥闹旅艹潭?，空洞的產(chǎn)生主要源于釬料揮發(fā)、潤濕不均或殘留氣體，空洞增多會導致導熱性能下降，引發(fā)應力集中；熱循環(huán)可靠性反映了陶瓷基覆銅板在溫度反復升降環(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)生的殘余應力影響，殘余應力易誘發(fā)裂紋擴展。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的潤濕作用和界面反應，總結了AgCuTi合金釬料的應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)應用發(fā)展趨勢。
1. AgCuTi合金釬料的應用形式
AgCuTi合金釬料釬焊陶瓷基覆銅板時的應用形式與釬料自身的狀態(tài)有關[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，與有機溶劑、黏結劑、觸變劑等釬焊助劑機械混合制成，使用時通過絲網(wǎng)印刷將其涂敷于陶瓷基板兩側，隨后與銅板貼合，整個工藝高效成熟、機械自動化程度較高。但是，由于焊膏中含有較多有機物，釬焊時這些有機物會大量揮發(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，采用攪拌機進行機械混合制備。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行深入研究。
2. AgCuTi合金釬料的潤濕特性與界面反應
通過AMB工藝連接陶瓷基板與銅板時，對于釬料性能的要求是相同的：釬料熔體應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發(fā)生反應形成良好冶金結合，以得到結合強度優(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，這是因為一旦出現(xiàn)空洞或填充不完整的情況都會降低焊層力學性能。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)，當釬料中鈦質量分數(shù)從0增加至4.5%時，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，當鈦質量分數(shù)為4%時潤濕角最小，為14.6°。此外，隨著鈦含量增加，鈦與陶瓷反應生成的Ti5Si3金屬間化合物會出現(xiàn)在釬料熔體中，導致釬料在陶瓷表面的鋪展時間延長，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，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合，減少鈦的添加量。銅與鈦的吸引力較強，容易發(fā)生反應生成Cu-Ti化合物，降低鈦的運動能力和活性。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 ℃時最低，此時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)生界面反應時消耗的鈦更多；當Al2O3陶瓷表面粗糙度由256 nm增至636 nm時，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。
2.2 界面反應
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)生化學反應，形成金屬間化合物（IMC）層，這意味著釬料與母材基板之間實現(xiàn)了良好的冶金結合。界面處IMC的類型和分布情況對焊層的力學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生成Cu2Ti等Cu-Ti化合物，同時釬料中的金屬元素向銅板內(nèi)部擴散，因此AgCuTi合金釬料與銅板之間的結合能力通常較好[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層在受外力作用時屬于應力集中區(qū)域，因此陶瓷側界面在整個結構中尤為重要，相關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行研究，提出了界面反應機制[33]：高溫下AgCuTi合金釬料熔化后，鈦元素與Al2O3發(fā)生反應生成Ti2O，隨后Ti2O與鈦、銅反應生成Ti3Cu3O化合物，與陶瓷基板實現(xiàn)冶金結合。AgCuTi合金釬料釬焊Si3N4陶瓷時，釬料中的鈦與Si3N4反應生成TiN與Ti5Si3化合物，實現(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10 min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，實現(xiàn)了焊層與陶瓷的良好結合。
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)生的應力及變形。界面結合的牢固程度和AgCuTi合金釬料與陶瓷基板的TiN界面反應層厚度有關，提高釬焊溫度、延長釬焊保溫時間等方式均能增加反應層厚度，從而提高結合強度。有研究顯示TiN反應層厚度在1.0~1.5 μm時對界面結合有促進作用，但過厚的TiN反應層會降低焊層強度。Si3N4陶瓷與AgCuTi合金釬料在界面反應過程中還會生成Ti-Si脆性相，該相尺寸增大會限制反應層厚度增加，厚度持續(xù)增加會對焊層結合力產(chǎn)生負面影響[38-39]。
3. 陶瓷基覆銅板的穩(wěn)定性
陶瓷基覆銅板的產(chǎn)品性能和應用進展直接受到AgCuTi合金釬料及AMB工藝影響。目前，關于陶瓷基覆銅板穩(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，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熱散熱能力，同時由于空洞處陶瓷與銅板未有效結合，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[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，導致焊層出現(xiàn)空洞，甚至出現(xiàn)未焊合情況[45]。（2）釬焊時的真空度。金屬鈦易氧化，會提前與釬焊氣氛中的氧元素發(fā)生反應并被消耗，導致陶瓷界面處的反應不充分，從而產(chǎn)生空洞，因此高溫釬焊時真空度通常需要達到10?3 Pa級別，且整個釬焊過程都要維持這一真空度。以焊膏形式應用時添加的有機釬焊助劑在高溫下分解會產(chǎn)生氣體，導致爐內(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。以焊膏形式應用時需要通過絲網(wǎng)印刷技術將焊膏涂敷在陶瓷基板兩側，如果在此過程中發(fā)生印刷不均勻、漏印或未印上等情況，就會導致空洞出現(xiàn)；釬焊時若釬焊溫度不夠或者保溫時間不足，釬料與陶瓷基板的潤濕、反應不充分，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2 N、釬焊溫度900 ℃；同時指出，原料表面的雜質阻礙了鈦與氮元素的結合，釬焊工藝參數(shù)設置不當導致AgCuTi合金釬料的流動性變差，難以全面覆蓋陶瓷基板。原料表面雜質污染和釬焊工藝參數(shù)不當會共同導致空洞的形成。
目前，有關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)還應從陶瓷表面粗糙度、焊膏中有機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行會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量需要通過陶瓷基覆銅板進行傳導。同時，由于IGBT模塊在服役期間會頻繁地斷開與閉合，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)生熱應力和變形，導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模塊的設計與驗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，還與焊層空洞率密切相關。在陶瓷基覆銅板的使用過程中，空洞部位熱量傳導不佳，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還是應力集中區(qū)域，裂紋更易在此處萌生，導致熱循環(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. 結束語
陶瓷基覆銅板作為IGBT封裝材料備受關注，AMB工藝結合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對實現(xiàn)陶瓷基板和銅板的良好結合至關重要。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，同時釬料與母材界面形成的化合物層能提高結合強度。在實際應用中，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易斷裂，焊膏釬焊的自動化程度高，但含有的有機物揮發(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，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）進一步研究釬料組分和焊層空洞與熱循環(huán)可靠性的關系，調(diào)整組分、減少空洞以提高可靠性；（4）關注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)
