氮化硅AMB陶瓷覆铜板质量检测

引言

在电子封装领域中，陶瓷覆铜板对IGBT模块内部起到散热和电路连接的关键作用。IGBT电子元器件是除了芯片以外第二贵重材料，约占整个IGBT模块总价的15%。近年来，随着电子集成度要求高，散热需求大，常规的DBD陶瓷覆铜板无法满足要求。利用活性金属化焊接AMB工艺可大大提高陶瓷覆铜板的可靠性。目前德系新能源汽车、中车轨道交通机车、航空航天、风力发电等领域都在使用AMB工艺陶瓷覆铜板。

一.常见陶瓷基板类型

目前常见的将铜与氮化硅陶瓷基板结合的基板类型主要有:薄膜陶瓷(TFC)基板、厚膜印刷陶瓷(TPC)基板、陶瓷活性金属焊接(AMB)基板、直接键合陶瓷(DBC)基板、陶瓷直接电镀(DPC)基板、陶瓷激光活化金属 (LAM)基板等。其中AMB基板制备技术主要采用活性钎焊料与陶瓷及铜发生反应来实现铜与氮化硅陶瓷的结合,这种结合强度高、可靠性优良且价格较低,是目前应用于大功率器件领域较好的氮化硅陶瓷覆铜基板制备技术。

（1）AMB陶瓷基板（活性金属钎焊）

AMB是在DBC技术的基础上发展而来的，在800℃左右的高温下，含有活性元素Ti、Zr的AgCu焊料在陶瓷和金属的界面润湿并反应，从而实现陶瓷与金属异质键合。

（2）DBC陶瓷基板（直接键合铜）

通过热熔式粘合法/直接键合铜技术使用铜的含氧共晶溶液将铜直接沉积在陶瓷上。基本原理是在沉积过程之前或期间在铜和陶瓷之间引入适量的氧气。高温下在1065℃~1083℃范围的，铜与氧形成Cu-O共晶液。DBC技术利用这种共晶液体与陶瓷基板发生化学反应，生成CuAIO2或CuAIO4。此外，它还渗入铜箔，实现陶瓷基板和铜板的结合。

IGBT模块是由芯片、陶瓷覆铜板（线路板）、底板、外壳、及端子等组成。其结构特点主要是将功率半导体芯片集成在陶瓷覆铜板上，通过引线键合技术，实现芯片、陶瓷覆铜板、端子间的电路互连。目前高功率模块对散热要求越来越高，利用直接覆铜法制备，散热能力有限，通过活性金属钎焊AMB工艺在真空或惰性气体中实现键合。

AMB陶瓷覆铜板的剥离强度、气孔率、可靠性是产品质量的关键，科研人员通过多次试验加强了国产化数据基础，利用氮化硅陶瓷基片、无氧铜、金属焊料进行制备。

• 将铜片→进行清洗

• 将氮化硅瓷片→进行清洗→焊料印刷

• 最后将二者进行真空焊接

二.AMB陶瓷覆铜板质量检测

在原材料运输过程中陶瓷基板和无氧铜箔表面可能会沾染油污或杂质，这种情况很难避免，会间接影响钎焊界面的结合强度，在后续机加工过程中应力作用的影响会造成内部出现裂纹、夹杂、气孔等缺陷，使用型号TCS-33HD超声扫描显微镜，对其进行超声波扫描，本次使用扫描方式为C扫描，采声自带的软件可进行孔隙率、钎着率自动计算，超声无损检测技术质量检验可提前发现不合格产品，提高后续IGBT模块使用时的散热性能和引线键合寿命。

国产超声扫描显微镜对检测氮化硅AMB陶瓷覆铜板具有重要意义

1.内部缺陷检测：微小裂纹、空洞、气泡等缺陷会造成后续使用中造成局部过热、应力集中降低产品安全性能。

图一：采声-陶瓷覆铜板气孔缺陷超声C扫描图

2.界面结合质量：检测铜层与氮化硅陶瓷之间的结合强度（剥离强度）以及界面空洞率，确保两者之间有良好的结合，以承受大功率器件工作时产生的各种应力，避免铜层剥离等失效现象的发生。

图二：采声-陶瓷覆铜板分层缺陷超声C扫描图

从采声TCS-33HD水浸超声检测结果中，可以清晰看到内部缺陷。图一亮色圆点可能存在空隙和气泡；图二折痕出存在裂纹和结合不良缺陷。

三.AMB陶瓷覆铜板的发展前景