陶瓷基板表面金屬層結合強度測試與失效分析

王永通,王 哲,劉京隆,彭 洋,陳明祥

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院,湖北 武漢 430074;2.華中科技大學 航空航天學院,湖北 武漢 430074)

隨著半導體器件朝著小型化、集成化和大功率方向發展,對封裝基板也提出了更高的性能要求[1-4]。陶瓷基板(陶瓷電路板)具有熱導率高、耐熱性好、與芯片熱膨脹系數匹配、機械強度高等優勢,滿足功率器件應用需求,在大功率發光二極管(LED)、激光器(LD)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)及聚光光伏(CPV)等器件封裝中廣泛應用[5-8]。在各類陶瓷基板中,直接鍍銅陶瓷基板(DPC)具有圖形精度高、可垂直互連、工藝溫度低、線路層厚度可控等技術優勢,應用前景廣闊[9-10]。

由于金屬銅和陶瓷在物理和化學性質上有顯著差異,DPC 陶瓷基板在使用過程中容易出現翹曲、脫層等失效行為[11-12],嚴重影響器件性能,因此必須提高金屬和陶瓷間結合強度[13]?，F有研究表明,添加活性金屬元素(如Cr 或Ti)作為DPC 陶瓷基板過渡層可顯著減少基板界面缺陷[14-15];Zhang 和Jin 等[13,16]研究了添加不同過渡層對DPC 陶瓷基板性能的影響,結果表明以Ti 作為過渡層時基板界面缺陷最少,并從微觀角度分析了AlN/Ti/Cu 界面穩定性提高的原因;此外,Tsai 等[17]研究了AlN 基DPC 基板在熱載荷下的力學行為,并通過有限元模擬分析了銅層力學參數對基板熱可靠性的影響;Xu 等[18]通過數值優化方法,提出了一種含階梯結構的直接鍵合銅陶瓷基板(DBC),并采用有限元模擬證明該結構可顯著提高基板熱循環壽命。

雖然目前對如何提高陶瓷基板使用壽命和熱可靠性有諸多研究,但對DPC 陶瓷基板斷裂失效分析鮮有報道,同時基板中金屬層與陶瓷結合強度缺少準確的力學參數,這使封裝在DPC 基板上的器件存在著因基板斷裂而變形甚至脫落的風險。本文通過設計DPC 陶瓷基板金屬層尺寸參數和拉伸夾具,采用拉伸法對基板進行拉伸強度測試,以評價金屬層的結合強度;同時采用掃描電子顯微鏡(SEM)表征了基板斷裂面和橫截面微觀形貌,采用能譜儀(EDS)得到了基板金屬層與陶瓷界面處元素組成和分布,對基板的斷裂失效進行了研究。結果表明DPC 陶瓷基板中金屬層與陶瓷間結合強度較高,基板最薄弱部位在金屬層下方的陶瓷內。

1 實驗

1.1 DPC 基板制備

DPC 基板的制備結合半導體微加工技術及印刷線路板制備技術[4],主要流程包括: (1)利用激光在陶瓷基片上制備通孔;(2)采用磁控濺射技術在陶瓷基片表面沉積種子層;(3)通過光刻、顯影完成線路層制作;(4)采用電鍍填充通孔并增厚金屬線路層;(5)進行表面處理并去除干膜和種子層。

本文所用DPC 基板基片材料為96%氧化鋁陶瓷(厚度為1 mm),種子層為150 nm 金屬鈦和500 nm銅,電鍍銅層厚度分別為30,60,90 和120 μm,金屬銅層形狀分別為直徑2,3,4 mm 的圓形和邊長2,3,4 mm 的方形,最后激光劃切為尺寸10 mm×10 mm方片以供測試,如圖1 所示。

圖1 不同金屬層形狀的DPC 基板。(a)方形;(b)圓形Fig.1 DPC substrate with different metal layer shapes.(a) Square;(b) Circle

1.2 結合強度測試

采用拉伸法對DPC 基板金屬層和陶瓷基片間結合強度進行測量,如圖2 所示(以圓形銅層為例)。

圖2 結合強度測試流程Fig.2 Test procedure of bonding strength

首先分別用酒精和去離子水超聲清洗基板金屬層表面5 min,烘干后采用錫焊將直徑為1 mm 的銅絲與基板金屬層實現垂直牢固連接,隨后將焊線基板采用高溫環氧膠粘接在定制夾具的表面凹槽中,固化后將被測試樣垂直固定于萬能試驗機(CTM-10GD)上進行拉伸測試,記錄測試中的最大拉伸力,以金屬層面積作為受力面積計算拉伸強度,即:

式中:σ為拉伸強度;F為測試中的最大拉伸力;S為金屬層面積。每種金屬層尺寸的DPC 基板分別取10個樣品進行測試,計算其平均拉伸強度。

1.3 形貌表征

使用超景深三維顯微鏡(VHX-1000)觀察測試后基板斷裂面;采用場發射掃描電子顯微鏡(Nova NanoSEM 450)觀察基板斷裂表面的微觀形貌;磨樣觀察基板橫截面形貌,并利用EDS 能譜分析樣品橫截面元素組成和分布。

2 結果與討論

2.1 DPC 陶瓷基板金屬層結合強度

為了準確測量DPC 基板金屬層結合強度,并探究金屬層厚度和形狀對測試結果的影響,對不同金屬層尺寸參數的基板分別進行拉伸測試,結果如圖3 所示。

圖3 (a) 金屬層厚度對拉伸強度的影響;(b) 金屬層形狀和尺寸對拉伸強度的影響Fig.3 Effects of (a) metal layer thickness and (b) metal layer shape and size on tensile strength

圖3(a)為不同金屬層厚度的DPC 基板平均拉伸強度,結果表明,隨著金屬層厚度增加,平均拉伸強度變化并沒有明顯規律,相同基板測量值存在一定偏差,但大小均在10～15 MPa。圖3(b)為具有不同金屬層形狀和尺寸的DPC 基板測試結果,相同尺寸下,金屬層形狀(圓形和方形)對平均拉伸強度并無明顯影響;相同形狀下,隨著尺寸增大,平均拉伸強度有略微升高,而當尺寸增大為4 mm時,基板下方的陶瓷基片出現碎裂(如圖4 所示),導致無法得到該尺寸時的拉伸強度。上述所有測試得到的平均拉伸強度為12.13 MPa。

圖4 陶瓷基片碎裂圖。金屬層為尺寸4 mm 的(a) 圓形和(b) 方形Fig.4 Image of cracked ceramic substrate.Metal layers are(a) circle and (b) square with the size of 4 mm

綜上,雖然相同DPC 基板結合強度測量值存在一定偏差,但基板金屬層厚度和形狀對結合強度測試結果基本無影響,且當金屬層尺寸較大時(尺寸≥4 mm),會產生陶瓷基片碎裂情況。

2.2 基板斷裂面形貌分析

取拉伸測試后含有圓形和方形金屬層的DPC 基板,采用超景深三維顯微鏡對斷裂基板的陶瓷側和金屬層側進行觀察。從圖5(a)和(c)所示陶瓷基片側可以看出陶瓷表面存在凹坑,凹坑形狀和尺寸與對應金屬層相似,且凹坑外側有少量金屬層殘留;圖5(b)和(d)的金屬層側展示了金屬層下方陶瓷跟隨金屬層被拉裂,與陶瓷側凹坑相對應,且只有少量金屬層邊緣能夠與陶瓷基片完全分離。對其他拉伸測試斷裂的DPC 基板進行觀察,均出現上述現象,可以判斷DPC 基板在拉伸測試時斷裂部位為金屬層下方的陶瓷基片內。

圖5 拉伸測試后DPC 基板斷裂面形貌。方形金屬層基板(a)陶瓷側和(b)金屬層側;圓形金屬層基板(c)陶瓷側和(d)金屬層側Fig.5 Fracture surface morphology of the DPC substrate after tensile test.(a) Ceramic side and (b) metal layer side of substrate with square metal layer;(c) Ceramic side and(d) metal layer side of substrate with circle metal layer

為了進一步確定DPC 基板失效模式,采用場發射掃描電子顯微鏡(FSEM)觀察了基板斷裂面微觀形貌。圖6(a)為陶瓷基片側因拉伸斷裂所殘留的凹坑,可以看出斷裂表面整體齊平光滑,沒有塑性變形;圖6(b)和(c)為斷裂面局部放大,從圖6(b)中光滑區放大可以看出斷面呈結晶狀,同時存在較多陶瓷氣孔,這符合陶瓷脆性斷裂的微觀形貌特征;圖6(c)為圖6(a)中斷面裂紋處的局部放大,圖中有一較長裂紋產生,且有陶瓷分層現象;此外,在拉伸實驗中,基板斷裂瞬間產生較大崩裂聲。上述現象均符合脆性斷裂特征,因此可以確定拉伸實驗中DPC 基板失效屬于金屬層下方陶瓷脆性斷裂所致。

圖6 DPC 基板斷裂面SEM 圖。(a) 斷面整體;(b) 光滑區放大;(c) 裂紋處放大Fig.6 SEM images of DPC substrate fracture surface.(a) Overall section;Magnification of (b) smooth areas and (c) crack areas

綜上所述,首先可以確定實驗中基板金屬層下方陶瓷發生脆性斷裂;其次,陶瓷脆性斷裂的產生是由于其內部存在孔洞和裂紋等缺陷,在受到外界拉力時,應力分布不均導致缺陷處應力集中,隨著拉力增大,陶瓷首先在缺陷處斷裂,隨后裂紋迅速擴展導致整體斷裂[19-20],這說明測試中最大拉伸力出現在陶瓷內部缺陷開始斷裂時,此時陶瓷內部受力面積可能遠小于金屬層面積,具體大小取決于陶瓷本身,因此導致拉伸實驗中所得拉伸強度偏低,且由于受力面積的不確定性,測試中最大拉伸力會出現一定浮動,這也與前述拉伸強度數據存在一定偏差相一致。此外,基板斷裂區為金屬,結合強度大于上述拉伸強度。

2.3 金屬-陶瓷結合失效分析

取拉伸實驗中所用DPC 基板進行磨樣,利用場發射掃描電子顯微鏡(FSEM)觀察其橫截面中銅與陶瓷結合處形貌,并進行EDS 能譜分析。圖7(a)為基板橫截面微觀形貌,可以看出金屬層與氧化鋁陶瓷結合致密,界面處沒有明顯缺陷。利用EDS 對圖7(a)界面處方形區域進行了能譜分析,如圖7(b)所示,結果顯示界面附近存在O、Al、Ti、Cu 四種元素,質量分數分別為16.58%,62.54%,1.52%,19.36%,因此可以判斷界面處存在金屬Ti,且質量占比和預期相符。為了確定四種元素在基板界面區的分布,進一步對圖7(a)所示箭頭位置做了線掃描,結果如圖7(c)和(d)所示。從圖7(c)可以看出Al 元素和O 元素均勻分布在陶瓷側,Cu 元素均勻分布在金屬層側,而Ti元素分布在銅/陶瓷界面處;圖7(d)為Ti 元素區放大圖,在銅/陶瓷界面處,Ti、Al、Cu 三種元素存在交叉,且Ti 元素分布寬度為2 μm 左右,而基板制備中Ti 層厚度只有150 nm,因此判斷基板中Ti 原子分別向陶瓷側和銅側發生了擴散,與陶瓷和銅產生了合金或金屬化合物,使得銅/陶瓷結合強度大幅提高。

圖7 DPC 基板截面形貌分析。(a) 基板截面形貌;(b) EDS 分析結果;(c) 界面處線掃描結果;(d) Ti 元素的分布Fig.7 Analysis of DPC substrate cross-section morphology.(a) Cross-sectional morphology of substrate;(b) EDS result;(c) Line scanning result of interface;(d) Distribution of Ti

現有研究表明[21],過渡層Ti 的加入可顯著提高DPC 基板銅層/陶瓷基片間結合強度,原因在于: (1)過渡層中Ti 原子向銅層擴散,并且與Cu 形成新合金相Cu3Ti,其以化學鍵相連,鍵合強度更高;(2)Ti 原子向陶瓷側擴散,與陶瓷形成金屬間化合物,并在一定程度上彌補了陶瓷孔洞缺陷,因此提高了金屬/陶瓷結合強度。金屬層下方陶瓷微觀形貌如圖8 所示,可以看出金屬/陶瓷界面處結合致密,無明顯缺陷,而在界面下方陶瓷內部存在大小不一孔洞,所以當基板上方金屬層受到拉力時,首先會在陶瓷內部孔洞處產生裂紋,隨著拉力增大,裂紋會迅速擴展導致陶瓷脆性斷裂。綜合以上分析,DPC 基板在拉伸實驗中出現陶瓷斷裂的主要原因是: 過渡層金屬Ti 的存在提高了金屬/陶瓷結合強度,同時由于陶瓷內部存在孔洞缺陷,DPC 基板薄弱部位在金屬層下方的陶瓷內。

圖8 96% Al2O3陶瓷基片內的孔洞缺陷Fig.8 The cavity defects of 96% Al2O3 ceramic

為了驗證實驗結果的準確性,本文對不同加工批次的DPC 基板進行了相同拉伸測試,得到了與前述相同的實驗結果。此外,采用與拉伸強度測試中相同的DPC 基板,分別進行剪切強度和剝離強度測試,同樣以金屬層面積作為受力面積,得到的平均強度分別為15.9 MPa 和11.8 MPa,相同基板測量值存在一定偏差,且兩種測試實驗中基板斷裂區同樣為金屬層下方的陶瓷內,進一步驗證了DPC 基板薄弱點在于陶瓷的判斷。

3 結論

(1)采用拉伸法對DPC 基板金屬/陶瓷結合強度進行測量,得到基板平均拉伸強度為12.13 MPa,但基板斷裂處均為金屬層下方的陶瓷內;由于陶瓷脆性斷裂的不穩定性,實際受力面積小于金屬層面積,因此DPC 基板金屬/陶瓷結合強度要高于12.13 MPa。

(2)對實驗中出現基板金屬層和陶瓷不能完全分離,陶瓷內斷裂的現象進行了分析: 一方面,DPC 基板中過渡層金屬Ti 向陶瓷側和銅側擴散,發生強鍵合作用,大幅提高了金屬/陶瓷結合強度;另一方面,陶瓷本身為固相燒結制備的脆性材料,內部存在較多孔洞缺陷,受力時易產生裂紋導致脆性斷裂。

(3)利用不同批次DPC 基板和不同強度測試方法進行重復試驗,得到了相同實驗結果,證明以金屬Ti作為過渡層制備的DPC 基板中,金屬與陶瓷結合強度較高,當金屬層受到足夠大拉伸力或剪切力時,基板斷裂區為金屬層下方陶瓷內,這對DPC 陶瓷基板應用及提高器件封裝質量和可靠性具有一定的參考意義。