功率模块Ⅱ —— 绝缘衬底金属化

上篇我们聊了关于功率模块绝缘衬底的几款主流材料，其中提到了在绝缘衬底上进行金属化的技术。今天我们就来聊聊绝缘衬底金属化技术......

几种常用的金属化技术：

❖薄膜

❖厚膜

❖电镀铜

❖直接敷铜

❖活化钎焊覆铜

❖硬钎焊敷铜

绝缘衬底表面金属化要求：

热特性：

高热导率（＞200W/K·m）

与绝缘衬底的热膨胀系数相匹配

高抗热疲劳性（温度循环相关）

高热稳定性（即耐高温性）

电气特性：

载流能力强

低电阻率（一般而言，通过金属镀膜的电压降要小于芯片集射极之间饱和压降的1/10）

机械特性：

与绝缘衬底的高附着力

适合键合

适合焊接等工艺

与绝缘衬底相兼容

与现有工艺设备相兼容

化学特性：

易于刻蚀成形（几种技术中，厚膜不作此要求）

不和工艺过程中的溶剂反应

无毒性

抗腐蚀性良好

化学惰性

成本：

满足要求的情况下尽可能低（这点毋庸置疑）

薄膜技术

薄膜一般是通过在衬底的整个表面进行溅射或者物理气相沉积的方式形成，薄膜层经过灌封材料、曝光、蚀刻等获得设计的样式。常用薄膜金属材料有：金、银、铜和铝。

与厚膜技术相比，薄膜技术能够实现更精准的定位和更细小的间距，所以非常适合高频、高密度的应用。薄膜层和绝缘衬底的结合力较强，并且具有优异的抗热疲劳老化的能力，同时键合能力也较优于厚膜技术；但从成本来看，薄膜技术比厚膜要贵上个5倍左右，同时多层薄膜结构难度较大。

通常薄膜层的厚度为2.5um,甚至可以更薄，载流能力在几到几十安培。

厚膜技术

厚膜一般是通过丝网印刷的方式将特别配置的焊锡膏印制在衬底上，然后进行干燥，最后通过高温下烧结成形。焊锡膏可以用来制作导体、电阻、电容、电感等等无源元器件，厚膜一般有三种类别：聚合物厚膜、金属陶瓷厚膜和耐火材料厚膜，厚度介于0.5~2mil之间。

①聚合物厚膜

采用高分子树脂混合导电、阻性或者绝缘的颗粒，在85~300℃的温度下进行固化，固化温度一般为120~165℃。这种金属化的成本较低，但是被限制在低温下使用。

②金属陶瓷厚膜

这是最常用的金属化厚膜，，适用于陶瓷和硅基衬底，包含以下几组成分：

①活性成分：有助于厚膜的成形；

②黏结成分：提供和衬底之间的黏结力；

③有机黏结剂：为丝网印刷提供足够的流动性；

④溶剂或者稀释剂：调整黏度用。

此混合材料的成形温度介于850~1000℃，厚膜与衬底的附着力较优，但是抗热疲劳能行较差，最大载流能力在几安培左右。

③耐火厚膜

这是一种能够承受高温的特殊金属陶瓷厚膜，通常在1500~1600℃的还原气氛中进行热处理，膜和衬底之间的附着力很强并且抗热疲劳强度很高，常用的耐火厚膜材料为钨和钼，载流能力被限制在1~2A。

金属化敷铜技术

相对于薄膜和厚膜技术而言，没有了金属化厚度的限制，有几个优点：

★增加金属化层的厚度；

★提高了金属化层的载流能力；

★提高了热导率；

值得注意的是，随着金属化层厚度的增加，热膨胀系数和绝缘衬底的匹配程度将越来越差，在较大的热失配时将产生显著的残余的热应力，甚至会导致微小裂纹。

金属化敷铜技术的四种方法：

电镀铜；

直接敷铜；

活化钎焊覆铜；

常规硬钎焊敷铜；

铜镀层还需要解决结合难度高和化学性较为活泼的问题，一般会通过添加过渡层来提高结合力，并在铜表面增加镍或者金来作为保护层。

电镀铜

该方法是通过电镀技术在绝缘衬底表面电镀一定厚度的铜，首先需要通过厚膜或者薄膜工艺在衬底表面沉积一层金属膜，通过用钼或着锰作薄膜材料，用铜作厚膜材料。可以用化学镀的方式将一层薄铜预镀在厚膜层或者薄膜层表面，再利用电镀技术继续沉积铜层，最后可以将铜镀层在氮气中进行高温处理，以获得较好的结合力和抗热疲劳能力。

电镀层一般介于5~8mil，可通过光刻获得精细电路图案。如果再增加镀层厚度，光刻图案精度会下降，但是载流能力能到50A左右。

直接敷铜

直接敷铜时利用高温下实现铜和陶瓷的紧密直连，铜和陶瓷界面之间不需要任何的焊剂或者催化剂。铜和陶瓷在氮气中被加热到1070℃左右（略低于铜的熔点），此时铜氧化物薄膜可以形成共熔晶体润湿连接界面，冷却后实现铜和陶瓷的紧密连接。

此方法金属铜层厚度介于8~20mil，同样可以通过光刻来获得设计的电路图案，但是精度不会太高。

直接敷铜用于功率模块封装的优点：

❖铜和陶瓷的连接体表现为一个具有均匀热膨胀系数的整体，其热膨胀系数更接近于陶瓷。

❖选用的铜材料纯度较高，无氧且导电能力强，选用合适的线宽和厚度，金属层能够获得很低的电阻，载流能力可以到100A以上。

❖较大的铜层厚度保证了功率芯片的热传导。

AlN和Si3N4绝缘衬底则必须先进行一定的工艺处理，因为直接敷铜首先需要一层氧化膜，相对较为繁琐，下面的更适合这两种衬底。

活化钎焊覆铜

活化钎焊覆铜技术采用焊料合金在铜和陶瓷之间形成黏合层。钎焊通常以黏结的形式实现，大多使用丝网印刷技术，得到的钛钎焊层具有优良的附着力和热循环能力。

活化钎焊覆铜已经广泛应用于AlN和Si3N4绝缘衬底，而相对于直接覆铜，其优点如下：

❖更强的黏合力；

❖更强的载流能力；

❖更高的热疲劳强度。

常规硬钎焊敷铜

与上述的活化钎焊较为相似，但是硬钎焊技术必须在真空条件下进行。首先在衬底上溅射一层薄银层，并以黏结的方式将银合金焊料粘在搞薄膜上，最后将铜箔覆盖在上面。将整体加热到焊料合金的熔点进行制造，钎焊后的顶层可以通过光刻得到想要的图案。

除了电镀铜技术之外，后三者比较适合大功率半导体的金属化工艺。

关于衬底的表面金属化就聊到这里，希望你们能够喜欢~