IGBT封装用基板材料的研究现状

黄义炼，傅仁利**

（南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016）

2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.0College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 210016；College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 210016南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016;南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016210016;21001615846334998;1584633499815846334998;15846334998江苏省南京市南京航空航天大学将军路校区;江苏省南京市南京航空航天大学将军路校区15846334998@163.com;renlifu@nuaa.edu.cn黄义炼，1996，男，陶瓷与金属互联;傅仁利，1965，男，博导，功率电子器件用高性能陶瓷金属化基板； LED 荧光材料黄义炼;傅仁利Huang Yilian;Fu Renli傅仁利 2.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.01*|*学位论文*|*王赛云.IGBT驱动模块封装与测试技术研究[D].河北：北华航天工业学院，2019.<CR>2*|*期刊*|*景巍，张浩，封装技术对功率半导体模块性能的影响[J].电力电子技术，2018，52(8):1-2<CR>3*|*期刊*|*Khazaka R , Mendizabal L , Henry D , et al. Survey of High-Temperature Reliability of Power Electronics Packaging Components[J]. 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摘要：（1）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块封装用基板材料由金属和陶瓷复合而成。由于两种材料的物化性质相差很大，其连接，和成功连接后的基板的可靠性都存在着很大的问题。金属和陶瓷材料之间难以润湿，热膨胀系数相差较大，是难以连接和冷热循环下失效的主要原因。综述了当下适合于IGBT模块封装用的不同金属材料，陶瓷材料的连接方式，以及连接后基板的可靠性。为IGBT模块封装基板材料的选择提供一定的参考。

关键词：绝缘栅双极型晶体管；基板；封装；可靠性。

中图分类号：：ISSN 2095-2783

Review of IGBT packaging substrate materials

Huang Yilian, Fu Renli

(College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 210016)

Abstract: insulating gate bipolar transistor (IGBT) module packaging substrate material is made of metal and ceramic. Because the physicochemical properties of the two materials are quite different, there are big problems in their connection and the reliability of the substrate after successful connection.It is difficult to wetting between metal and ceramic materials, and the difference of thermal expansion coefficient is large, which make the connection between metal and ceramic become difficult, and it is one of the reason for failure of the substrate. This paper reviews the different metal materials, ceramic materials and reliability of IGBT modules.It provides some reference for IGBT module packaging substrate material selection.

Key words: Insulated gate bipolar transistor; substrate;packaging;reliability;

引言

绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor)简称IGBT，是电力电子变换中的核心元器件，以低电压控制大功率电路的断开与导通，广泛应用于轨道交通，新能源汽车，军工航天，工业机器等领域。随着我国在高铁，航空航天，混合动力汽车的飞速发展， IGBT模块需要更高的可靠性，更快的开关转换速度，低的能量损耗等[1]。研究人员主要从芯片和封装模块两个方面来提高IGBT模块的性能，芯片制造商通过不断的优化芯片的结构和制作工艺，使得其具有更低的导通和开关损耗，在减小芯片尺寸的同时实现了更高的的芯片结温[2]。采用以SiC,GaN为代表的宽禁带第三代半导体，使得其能够控制更大功率的电路。SiC和GaN芯片能够在最高600℃下服役，相较于Si芯片具有更高的击穿电压，和更高的工作温度，更低的开关损耗，以及能够承受更大的电流密度[3]。仅仅芯片的优化，还不足以满足现在的使用要求，需要高可靠性的封装技术，使得芯片的优势能够完全发挥出来。其中IGBT封装用散热基板在封装时起着机械互连和电气导通的作用，是高可靠性封装中至关重要的环节[4]。

IGBT封装对基板材料的要求如下:热导率高，介电常数低，与芯片材料相匹配的热膨胀系数，力学强度优良，加工性能好，成本低，耐热冲击和冷热循环等。由于陶瓷材料具有强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优良、热膨胀系数小、化学稳定性好等优点，非常适合作为IGBT用封装基板材料。但陶瓷材料并不导电，不能满足实现电气互联的要求，需要将陶瓷材料金属化。这就带来了新的问题，由于金属和陶瓷的热膨胀系数相差很大，在每一次冷热循环后，就会在界面处产生残余热应力，长时间累积会导致金属层剥落，陶瓷开裂，使得IGBT模块失效[5]。市面上常见的IGBT封装基板大多采用DBC（Direct bonding copper）和AMB(active metal brazing)技术，将不同的金属材料与陶瓷材料互连起来，作为IGBT模块封装用基板。本文将着重从陶瓷材料，金属材料，互连方式，以及金属化后基板的可靠性进行分析，探讨适用于现如今IGBT模块封装用的基板材料，和存在的问题，为从事这方面研究的人给予参考。

IGBT模块封装用陶瓷材料

IGBT模块的典型封装结构如图一[6]所示，从图中可以看出芯片产生的热量主要通过基板，和散热翅传递出去，所以基板所采用的材料需要导热性能优良，耐热冲击，同时介电常数要低，避免产生杂散电感，减少能源损耗。为了实现机械固定，基板材料还需要具有一定的强度。市面上常见的作为IGBT封装用的基板材料有AlN, Al2O3, Si3N4, BeO，其具体物理参数如表一[7][8] [9] [10]所示。还有在这些陶瓷成分的基础上做的一些改性，使其即具有优良的导热性能，又有较高的机械强度。Al2O3陶瓷由于其价格低廉，应用最广泛，但是其热导率较低，热膨胀系数高，芯片工作时产生的温度没法及时散出去，显著降低模块的可靠性，不能满足更大功率密度的IGBT模块的使用要求。BeO陶瓷由于其具有毒性，而限制了其使用范围。

图1 IGBT模块封装典型结构图

表1 常见陶瓷材料的物理性能

材料	热导率（W/(m∙K))	热膨胀系(10-6/K)	介电常数(at MHz)	断裂韧性（MPa∙m1/2）
Al2O3	22~40	6.5~7.2	8.5~10	---
AlN	100~260	2.7~4.6	8.5~10	3.2 ± 0.2
BeO	260~300	6.3~9.0	6.5~8.9	---
Si3N4	20~70	2.3~3.2	5~10	4.8~10.5
SiC	70~270	2.8~4.6	---	---
Si	120~150	2.6	12	---
GaN	130	3.17~5.59	5.35~9.5	---

AlN陶瓷热导率高，在室温下，其理论热导率可以达到319W/(m∙K)，挠曲强度高[11]，与Si，SiC，GaN的热膨胀系数相近，是合适的基板选择材料之一。市场上可获得的AlN陶瓷由于其中杂质和第二相的存在，导致热导率下降，同时也存在着很大的提升空间，国内外有很多研究人员聚焦于此，在AlN中添加Y2O3在1850℃下共烧，其热导率达到了193 W/(m∙K) [12]，利用新型粘接剂，改善烧结工艺，借助粘接剂分解残留的碳与AlN中的Al2O3反应，降低氧化物的含量，以此来提高AlN陶瓷的热导率，可以达到248 W/(m∙K) [13]。用Y2O3-LaF3为烧结添加剂，在烧结过程中LaF3显著促进了AlN晶格的纯化，提高了AlN陶瓷的致密性，从而提高其热导率，加入2 Wt.% Y2O3和1 Wt.% LaF3, AlN陶瓷的导热系数为200.010 W/(m∙K) [14]。

商业常见的Si3N4陶瓷的热导率达到90 W/(m∙K)，相对与AlN热导率低，但远大与Al2O3，同时机械强度高，有高的强度和断裂韧性，高温可靠性更好。Si3N4的制造成本也比AlN低，所以Si3N4在如今的IGBT封装基板中具有很大的应用潜力。吸引了大量的研究人员，在保证Si3N4陶瓷高机械强度的同时，提高其热导率。有人通过长时间保温，不同的热处理方式，降低Si3N4中的氧化物，提高其热导率，但是会降低陶瓷的机械强度。Wei Liu[15]等人通过添加Y2O3和MgO来获得更好的综合性能，结果表明5 wt% Y2O3 和2 wt%MgO添加，通过热压烧结，具有更好的综合性能，高的热导率，高断裂韧性8.397MPa ∙m1/2，弯曲强度1113Mpa，硬度1837.7 HV。Hwan Soo Dow[16]等人通过Nb元素的添加，在不影响Si3N4电气绝缘性能，机械性能的前提下，提高其热导率，结果表明在烧结过程中可以生成Nb2O5，Nb可以作为氧气吸气剂，显著提高Si3N4的热导率。

陶瓷材料的选择，需要从陶瓷的热导率，热膨胀系数，电绝缘性能，机械强度，成本等进行综合考虑。

IGBT模块封装用基板陶瓷金属化

IGBT封装用基板在模块中除了起着机械固定元器件的作用，还需要具有一定的载流的能力。单纯的陶瓷材料并不导电，需要将陶瓷金属化后，在金属层刻制电路，才能作为IGBT封装用基板材料。为了满足封装需求除了选择合适的陶瓷材料，还要选择适当的金属材料和互连方式。

金属材料

与陶瓷互连的金属材料应具有的特点有：导电性能优良，热膨胀系数小，塑韧性好，易于与陶瓷基板互连，成本低廉等。常见的用于IGBT封装用的金属材料有铜，铝，银，合金等，其物理性能见表二。

表2 常见金属材料的物理性能

金属材料	密度 g/cm³	电阻率 10-6Ω∙cm	CTE 10-6/℃	热导率 W/(m∙K)	熔点 ℃
铜	8.960	1.67	16.5~17.6	393~418	1083
铝	2.7	2.56	23	240	680
银	10.49	1.62	19.7	418	961
金	19.32	2.35	14.2	297	1063

铜由于其优异的导电性能，自然储存量丰富，成本低，塑韧性好，易于与陶瓷互连而被广泛采用。但是由于铜和陶瓷的热膨胀系数不匹配，接头处产生残余应力，导致陶瓷中产生裂纹，以及铜层剥落。在热循环实验的过程中，有研究表明20到20次循环后，AlN或Al2O3的直接敷铜板就会产生裂纹，和剥落[17]。最大的应力存在于金属和陶瓷连接的边缘处。导致铜层的最后剥落是因为塑性应力的存在使得铜层产生加工硬化，塑性变形能力和韧性下降，无法通过变形来释放残余应力。应力累积到界面的最大连接强度后，使得铜层剥落[18]。

铝与铜的导电能力相近，储量更丰富，成本更低，塑性好，重量轻，相较于直接敷铜板重量降低了44%，在AlN和Al2O3陶瓷上具有更好的润湿性，与Al线能够实现更好的引线键合也被广泛采用[7]。由于Al相比于Cu屈服强度低，具有更好的塑性变形能力，在冷热循环试验中从而表现出更好的耐热疲劳能力。研究表明，直接敷铝板在-55℃到250℃之间循环1500次未出现剥落[19]，相比于直接敷铜板的20到30次，耐热疲劳能力显著提升，是因为铝相较于铜屈服强度低，具有更好的塑性变形能力，在热循环过程中，通过塑性变形，将由于热膨胀系数不匹配产生的热应力释放，从而表现出更好的耐热疲劳。但是铝容易氧化，与大多数钎料之间兼容性差，使得芯片与基板之间的可连接性下降，通常会在Al层表面镀一层Ni或其它金属，来提高它的可焊性。铝层在冷热循环试验中，因为要发生塑性变形释放热应力，导致Al层表面粗糙度变大，影响芯片贴装的可靠性[19]。

银的导电性，延展性更好，但是由于其价格昂贵，限制了它的使用范围，同时由于Ag的延展性好，在热循环实验中会出现和Al类似的情形，由于需要通过塑性变形来释放热应力，从而导致Ag层表面粗化，影响和芯片贴装的可靠性。

合金材料也是一种常见的陶瓷金属化时使用的材料，通过不同合金元素的参杂，调整金属层的热膨胀系数，从而减小金属层和陶瓷基体之间的热膨胀系数差异，降低在互连或使用过程中，由于热膨胀系数失配，在冷热冲击下，接头处产生残余应力，从而降低接头强度。Palmer等人使用Mo-Cu合金，由于Mo的热膨胀系数很低，在20℃~100℃下仅为4.9*10-6/℃，最后Mo-Cu合金的热膨胀系数为7*10-6/°C，远小于Cu的热膨胀系数，然后利用AgCuTi钎料，活性钎焊的方式将Mo-Cu合金与Al2O3互联，形成可靠的接头[20]。由于金属层的热膨胀系数下降，这种基板耐热疲劳抗性提升，但是金属层的电阻率上升，会增加能量损耗。

不同的金属材料都有着自己的优缺点，在选择的同时，还应考虑金属材料与陶瓷互连的方法以及难易程度。

金属化方式

常见的陶瓷金属化的方式有：高温钼锰金属化、薄膜金属化、化学镀金属化、活性金属金属化、直接覆铜金属化、厚膜金属化[21]；而由于IGBT工作在大功功率环境下，基板需要具有载流能力强，结合强度高，和耐热冲击，所以适合于IGBT基板用的常见的金属化的方式是活性金属金属化(active metal boding)简称AMB，和直接敷金属法(direct bonding metal)简称DBM。

陶瓷和金属互联的难题在于熔融金属难于润湿陶瓷表面，金属和陶瓷的热膨胀系数不匹配，接头处容易产生较大的残余应力。活性金属金属化法（AMB），是一种钎焊互联的方法，利用钎料中含有的Ti、 Zr、 Al、 Hf、 Nb、 Cr、 Ta、 V 等活性元素与陶瓷基板发生反应，形成中间连接层，从而将金属与陶瓷连接起来，其结构如图二所示。AMB的优点是焊接工艺简单，形成的接头连接强度高[21]。缺点是活性元素容易氧化，钎料成本高，需要高真空或者惰性气氛下焊接，使得整个基板的成本提高。国内外研究学者为了得到连接强度高，残余应力低的可靠接头，对于AMB连接方法做了大量的研究。目前商业化使用的活性钎料有Cusin-1-ABA(63%Ag-34.25%Cu-1%Sn-1.75%)，Cherng-Yuh Su[22]等人利用这种钎料连接了AlN和Cu，研究了焊接温度，保温时间对接头强度的影响，结果表明通过在AlN表面生成一层TiN，使得钎料能够很好的润湿陶瓷表面，形成可靠接头，反应层的厚度与保温时间成线性正相关，在850℃下保温20min，接头强度达到最大值51Mpa。裂纹始于陶瓷和TiN反应层之间，是因为TiN和AlN之间存在较大的残余应力。Qin Qi[23]等人利用TiZrNiCu钎料连接了SiC陶瓷和Zr4合金, 通过Zr元素向SiC侧的扩散，并在SiC陶瓷表面形成(Zr, Ti)C反应层，润湿陶瓷表面，在1203K温度下保温十分钟，得到接头的剪切强度最高，达到95Mpa。TiZrNiCu钎料相对于Cusin-1-ABA加入了Zr元素，提高了钎料的熔点，从而提升了接头的服役温度。

直接敷接金属方法相对于活性钎焊发展要早很多，由于其工艺简单，成本低，早已经被商业化。最常见的有直接敷铜和直接敷铝，其结构如图二所示。直接敷铜法（DBC），是利用在1065℃~1083℃形成的Cu-O共晶液能够润湿大多数陶瓷如Al2O3，AlN，Si3N4，从而形成可靠的接头。Shao-Kuan Lee [24]等人研究了氧化铝DBC板接头的微观组织，以及对接头性能的影响，结果表明铜中溶解的氧含量大于0.36wt%时，接头生成CuAlO2，Cu和Al2O3形成可靠连接，CuAlO2在表面不连续，孤立的CuAlO2会使裂纹扩展转向，提高接头的抵抗裂纹扩展的能力，同时不连续的CuAlO2层，有利于热量的传导。直接敷铝法常见的有两类：（1）熔融液态铝敷接法，（2）金属过渡法。熔融液态铝敷接法是利用纯铝对陶瓷具有一定的润湿性，熔融的液态铝在陶瓷表面铺展后，在冷却的过程中直接在陶瓷表面结晶，形成机械缩合[7]。但由于Al极易氧化，会增加工艺的难度。金属过渡法，是先在陶瓷表面敷上一层金属层，如铜，利用Cu-Al共晶反应形成互联接头。Yoshirou Kuromitsu[25]等人在Al表面沉积上一层金属X（Si，Ge，Ag，Cu），利用Al-X共晶液能够润湿AlN陶瓷，形成直接敷铝基板，结果表明Al-Cu共晶体系有助于降低连接温度。

活性钎焊和直接敷金属法有着各自的优缺点，直接敷金属法获得基板成本低，但是可靠性差，不适合苛刻环境下使用的IGBT模块，而活性钎焊得到基板虽然成本提升，但相对于直接敷金属法得到基板，可靠性高，更适合于高温，高功率密度下使用的IGBT模块，例如在航空航天，轨道交通等领域使用。

图2 a)b)c)分别为AMB，DBA，DBC基板实物图

IGBT模块封装用基板材料的可靠性

IGBT模块工作在大功率环境下，在工作的过程中会产生热量，使得模块的温度上升，基板材料在冷热冲击下，由于材料间的热膨胀系数不匹配，导致残余应力的积累，最终使得接头处出现裂纹，甚至金属层剥落，造成模块的失效。为了提高IGBT模块的可靠性，基板材料还需要经过可靠性分析。

表3 金属化陶瓷基板可靠性研究

陶瓷金属互联技术	DBC	DBC	DBC	AMB	AMB	DBC	DBA
金属层	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu	Al
金属层厚度（μm）	300	300	190	154	170	300	300
陶瓷层	Al2O3	氧化锆增韧 氧化铝陶瓷	Al2O3	Si3N4	Si3N4	AlN	AlN
陶瓷层厚度（μm）	630	630	630	642	340	630	650
热循环温度（最小，最大）℃	-40 250	-40 250	35 350	35 350	-55 250	-55 250	-55 250
循环次数	26	100	<250	250 < X < 500	>600	20	>1500
引用文献	[26]	[26]	[3]	[3]	[27]	[17]	[28]

IGBT模块在使用过程中正常老化需要经历几年甚至十几年，在实验室一般会采用加速老化的方式来验证模块的可靠性。上述提及的基板材料，连接方式，在不同的组合下，形成不同的金属化陶瓷基板，大量的研究人员对这类基板的可靠性做了研究，如表3所示。从表中可以看出DBC基板的可靠性要远小于AMB基板，在同样的互联工艺下，陶瓷的韧性越好，金属的屈服强度越低，可靠性越高。Dean.P.Hamilton[29]等人对DBA和AMB基板的耐热疲劳抗性进行了研究，并对断裂机理进行了分析，失效形式如图3所示。结果表明基板的耐疲劳抗性与金属最初的延展性，金属的加工硬化程度，陶瓷的断裂韧性，互连方法有关。

图3 a)b)c)分别为冷热循环后Cu/Si3N4AMB基板，DBC基板失效图，DBA基板三维激光干涉仪像

金属材料对基板可靠性的影响

DBC基板，由于Cu容易发生加工硬化，随着冷热循环次数的增加，接头处残余应力累积，Cu的塑韧性下降，不能有效的利用塑性变形来释放残余应力，最后残余应力累积到一定程度后，导致Cu层剥落，从表中也可以看出DBC基板的冷热循环次数最低。Al相对于铜的塑性变形能力强，不易发生加工硬化，在冷热循环的过程中可以通过冷热循环来释放应力，所以表现出更好的耐热疲劳抗性，如表中所示，循环次数大于150次才会失效。在冷热循环的过程中，Al表面会因为塑性变形而变的粗糙，会影响芯片和基板的贴装，引线键合的可靠性。由于Al和Cu容易氧化，通常在金属层表面镀上一层保护层金属，如金属Ni。Chanyang Choe[30]等人研究了电镀Ni和化学镀Ni-P的DBA基板和AMB基板的热疲劳抗性，结果表明化学镀Ni-P的DBA基板，在-50℃~250℃冷热循环1000次后，Ni-P层变的粗糙，甚至出现裂纹。是因为Al发生形变，释放残余应力导致的。

陶瓷材料对基板可靠性的影响

由于陶瓷材料和金属材料的热膨胀系数不匹配，在冷热循环的过程中，随着残余应力的累积，当累积的应力大于陶瓷强度，或者大于金属和陶瓷的连接强度，在接头处，陶瓷侧就会出现裂纹，而陶瓷的断裂韧性，对裂纹的扩展有很好的阻碍作用。从而提高基板的热疲劳抗性。Hiroyuki Miyazaki[9]等人研究了一种新型Si3N4陶瓷，既具有高的热导率140Wm−1 K−1又具有高的机械强度，断裂韧性达到10.5 MPam1/2，利用AMB 技术与铜互联，并与商业用的Si3N4和AlN陶瓷基板对比。在-40℃~250℃，进行了1000次冷热循环实验，结果发现除了这种断裂韧性高的陶瓷，其余均在接头处出现了裂纹。说明了韧性陶瓷有利于阻止裂纹的产生和扩展。

结语

IGBT芯片只有在可靠的封装下才能发挥出其性能，SiC，GaN等第三代半导体芯片可以实现更大的功率密度，更快的开关速度，同时也需要更可靠的封装技术，DBC和DBA基板的可靠性很难满足这种新型IGBT模块的使用要求。Si3N4AMB基板的可靠性高，但在接头依然存在着较大的残余应力，需要从降低接头处的残余应力，提高基板的机械强度方面，进一步提高基板的可靠性，从而能够更好的服役于航空航天等苛刻环境下，将第三代半导体IGBT芯片的特性完美的展现出来。

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作者简介：黄义炼，1996，男，陶瓷与金属互联

通信联系人：傅仁利，1965，男，博导，功率电子器件用高性能陶瓷金属化基板； LED 荧光材料. E-mail: renlifu@nuaa.edu.cn