功率半導體模塊用陶瓷覆銅基板質(zhì)量測試評價體系的研究

孫高梅琳，李凱，侯曉剛，夏衛(wèi)亮，劉梅，訾文娟，陳子雯，耿振華，蘇濤，王寧，艾瑋，畢志英，劉文華

（中國建材檢驗認證集團淄博有限公司,淄博 255000）

1 功率模塊用陶瓷覆銅基板產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

目前陶瓷覆銅板（片）高精尖技術生產(chǎn)廠商大部分為外資企業(yè)，以村田、太陽誘電、羅伯特博世、三星等外國企業(yè)在基板領域技術最為先進，為第一梯隊，占據(jù)了主要市場份額[1]。中國臺灣地區(qū)的國巨和華新科等企業(yè)技術水平僅次于第一梯隊，也占據(jù)了一定的市場份額。在全球基片（板）供應商中，中國大陸廠商整體屬于第三梯隊，主要包括深圳宇陽、風華高科、達方、三環(huán)集團等。并且在今年這些企業(yè)同時出現(xiàn)上百億規(guī)模生產(chǎn)投資擴張[2]。

國內(nèi)基板的開發(fā)比國外發(fā)達國家至少落后5 年，相應的檢驗測試技術評價手段更加落后，國外已經(jīng)擁有完善的測試評價機構，而國內(nèi)的許多檢測機構還停留在僅是出具檢測報告的階段，不能有效促進生產(chǎn)廠家的技術創(chuàng)新。建立新的基板測試技術評價服務體系將彌補國內(nèi)基片檢測的漏洞，促進我國基板技術的蓬勃發(fā)展[3]。

現(xiàn)階段國內(nèi)陶瓷基板企業(yè)蓬勃發(fā)展，受國際形勢的影響，我國必須建立高精尖的基板生產(chǎn)企業(yè)以滿足現(xiàn)在陶瓷基板使用需求[4]。然而國內(nèi)陶瓷基板的測試技術還沒有形成一個完整的體系，建立一個測試評價服務平臺不僅能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，同時能夠提高國內(nèi)陶瓷基板材料的性能，擺脫我國對國外基板的依賴，從而提高我國的綜合實力。

2 國內(nèi)外評價標準情況

目前陶瓷覆銅板性能測試主要針對陶瓷基片的性能，覆銅后的性能沒有確定的測試標準方法[5]。通過調(diào)研研究，深入了解陶瓷覆銅板在實際使用中的性能（力學、熱學、電學等）指標，并根據(jù)指標需求，對陶瓷覆銅板測試技術的檢測標準進行梳理，明確陶瓷基板的檢驗項目和性能指標[6]。

國內(nèi)對于功率半導體模塊用陶瓷覆銅板可靠性能評價沒有統(tǒng)一、確切的標準體系，PCB 工藝覆銅板的測試標準不能滿足現(xiàn)階段陶瓷覆銅板的檢測需求。有關功率半導體模塊用陶瓷覆銅板的產(chǎn)品標準仍為空白。

表1 陶瓷覆銅板產(chǎn)品和方法標準

結合當前現(xiàn)有標準及生產(chǎn)廠家的企業(yè)標準進行分析比對，不難發(fā)現(xiàn)陶瓷覆銅板產(chǎn)品的主要性能參數(shù)存在如下主要問題：

1)通過市場調(diào)研，深入了解陶瓷基板在實際使用中的性能（力學、熱學、電學等）指標。并根據(jù)指標需求，對陶瓷覆銅板測試技術的檢測標準進行梳理，明確陶瓷基板的檢驗項目和性能指標。

2)對于目前陶瓷基板性能測試標準比較單一，目前主要采用電子陶瓷標準方法GB/T 5593 和GB/T5594。通過跟生產(chǎn)使用廠家溝通，根據(jù)精細陶瓷標準對基板的適用性選擇合適的基片性能檢測標準，并對可采用標準做統(tǒng)一歸納整理。形成一套適應生產(chǎn)廠家和使用廠家的測試標準體系。

3)試驗室目前欠缺的檢測標準以及相關簡單設備，進行匯總，對相應電子標準擴項，基礎設備的采購。確保試驗室的正常檢測活動。

4)目前國內(nèi)對于陶瓷覆銅板疲勞性能評價沒有統(tǒng)一、確切的標準體系，制定基片評價標準，開發(fā)相應的測試設備。

通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的檢測參數(shù)中，部分參數(shù)的測試方法不能反映產(chǎn)品的真實性能，結合陶瓷覆銅板產(chǎn)品的特性，提出陶瓷覆銅板待解決的關鍵問題，比如：

1)針對陶瓷基片厚度只有0.25mm-1mm，在測量基片彎曲強度曲率半徑太小，導致強度測試結果與實際應用不符合的現(xiàn)象，制定相應的測試標準，使測試結果準確表征產(chǎn)品的使用性能。

2)研究陶瓷基板性能測試中：彈性模量、泊松比、斷裂韌性等標準的適應性問題，探究更為可靠的表征方法。

3)協(xié)助基片生產(chǎn)廠家超薄基片生產(chǎn)工藝的改進研發(fā)，研究陶瓷基片內(nèi)部氣孔空洞對基片性能的影響，現(xiàn)階段國內(nèi)基片的生產(chǎn)水平落后于日本、德國等國家，國內(nèi)的基片厚度大、強度低等缺點，協(xié)助廠家提高基板的產(chǎn)品質(zhì)量。

4)目前國內(nèi)陶瓷基片疲勞性能測試方法缺失，借鑒國外先進評價技術，實現(xiàn)國內(nèi)疲勞性能測試的空白，并組織相關儀器設備廠家研發(fā)相應評價設備。

5)建立完善的陶瓷基片(板)產(chǎn)品質(zhì)量評價體系。結合陶瓷基板產(chǎn)業(yè)鏈上下游需求，特別是用戶對陶瓷基板的服役性能的需求，建立完整的產(chǎn)品質(zhì)量評價指標體系。組織全產(chǎn)業(yè)鏈各方共同參與討論，建立融合使用方和生產(chǎn)方需求滿足產(chǎn)品實際服役需求的質(zhì)量評價指標體系。

3 共性關鍵技術開發(fā)

3.1 產(chǎn)品符合性

參照國內(nèi)現(xiàn)行標準對氧化鋁陶瓷覆銅板檢驗項目及要求進行了規(guī)定，具體見表2 形成產(chǎn)品符合性評價表。

表2 陶瓷覆銅板檢驗項目及要求

3.2 工藝穩(wěn)定性

氧化鋁陶瓷覆銅板工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 陶瓷覆銅板工藝流程圖

通過對工藝流程的梳理，確定工藝指標的數(shù)據(jù)化評價方法，形成工藝穩(wěn)定性評價表，具體見表3。

表3 陶瓷覆銅板工藝穩(wěn)定性參數(shù)控制要求

3.3 關鍵點的過程控制能力

通過微觀表征、XPS 斷面分析、熱阻測試、機械性能測試、腐蝕性能測試等方面的測試數(shù)據(jù)比對，分別從微觀和宏觀側面驗證陶瓷覆銅板工藝兼容性和細微電路適用性。

1)銅面晶粒對比分析：

圖2 為樣品銅面光學金相照片的對比，左側樣品銅晶粒度尺寸50～60μm 左右，右側樣品銅的晶粒比較大其晶粒尺寸超過200μm。其中左側樣品中銅晶界上分布大量顆粒狀二次析出相。由此可推測，樣品采用的薄銅板在加熱過程中的釘扎晶界可以抑制晶粒粗化。圖3 樣品橫斷面金相照片中可見，左側樣品中銅的晶粒數(shù)量較多，右側樣品中銅的晶粒數(shù)量很少。通過以上對比實驗分析，可用于指導產(chǎn)品質(zhì)量提升。

圖2 樣品銅面金相照片

圖3 樣品橫斷面金相照片

圖4 樣品銅與氧化鋁陶瓷結合層掃描電鏡照片

2)銅箔結合層對比分析：

在宏觀上通過剝離試驗測試銅與氧化鋁陶瓷的結合強度，微觀上，通過掃描電鏡照片比對銅與氧化鋁陶瓷之間的結合情況，觀察界面存在的氣孔缺陷。提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4 服役適用性

陶瓷覆銅板的服役性能，主要檢測覆銅板的耐溫度沖擊、耐溫度銅面剝離、鉛熱回流、焊接性能等，具體要求如表4 所示：

表4 服役適用性檢驗項目表

4 國內(nèi)外產(chǎn)品性能比對結果

樣品選用以下生產(chǎn)單位做比對試驗，如：日本丸和、德國賽昂泰克、國內(nèi)廠家1、國內(nèi)廠家2、國內(nèi)廠家3、國內(nèi)廠家4，具體結果見表5。

表5 服役適用性檢驗項目表

按規(guī)范內(nèi)容，抽取30 片國內(nèi)公司生產(chǎn)的陶瓷覆銅板，評價結果見表6。

表6 陶瓷覆銅板檢驗結果和評價結果

從評價結果可以看出，按照本規(guī)范規(guī)定的測試方法對本次抽取的氧化鋁陶瓷覆銅板進行測量后，其結果符合規(guī)定的指標要求。同時，該型號的氧化鋁陶瓷覆銅板在電氣性能、機械性能、耐熱性能等方面表現(xiàn)良好，具有較高的品質(zhì)和穩(wěn)定性，適用于高端電子產(chǎn)品的制造。因此，該產(chǎn)品在市場上具有較高的競爭力和市場需求。

陶瓷覆銅基板是功率模塊中常用的基板材料，其質(zhì)量對功率模塊的性能和可靠性具有重要影響。因此，建立一個科學、全面的測試評價體系對于保障功率模塊質(zhì)量非常必要。目前，陶瓷覆銅基板質(zhì)量測試評價體系已經(jīng)得到了應用，其應用效果良好。該體系包括基板的物理性能、機械性能、熱性能等多個方面的測試項目，通過對這些項目的測試和評價，可以全面了解陶瓷覆銅基板的質(zhì)量狀況，為功率模塊的設計和生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

此外，陶瓷覆銅基板質(zhì)量測試評價體系還可以幫助制造商和用戶進行質(zhì)量管理和質(zhì)量控制。制造商可以通過對基板進行測試和評價，及時發(fā)現(xiàn)和解決質(zhì)量問題，提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平；用戶可以通過對基板的測試和評價，選擇合適的基板材料，提高功率模塊的可靠性和性能。

綜上所述，陶瓷覆銅基板質(zhì)量測試評價體系應用效果良好，對于保障功率模塊的質(zhì)量和可靠性具有重要作用。說明該評價方案可有效應用于陶瓷覆銅板產(chǎn)品的評價。