功率半导体模块用陶瓷覆铜基板质量测试评价体系的研究

孙高梅琳，李凯，侯晓刚，夏卫亮，刘梅，訾文娟，陈子雯，耿振华，苏涛，王宁，艾玮，毕志英，刘文华

（中国建材检验认证集团淄博有限公司,淄博 255000）

1 功率模块用陶瓷覆铜基板产业现状

目前陶瓷覆铜板（片）高精尖技术生产厂商大部分为外资企业，以村田、太阳诱电、罗伯特博世、三星等外国企业在基板领域技术最为先进，为第一梯队，占据了主要市场份额[1]。中国台湾地区的国巨和华新科等企业技术水平仅次于第一梯队，也占据了一定的市场份额。在全球基片（板）供应商中，中国大陆厂商整体属于第三梯队，主要包括深圳宇阳、风华高科、达方、三环集团等。并且在今年这些企业同时出现上百亿规模生产投资扩张[2]。

国内基板的开发比国外发达国家至少落后5 年，相应的检验测试技术评价手段更加落后，国外已经拥有完善的测试评价机构，而国内的许多检测机构还停留在仅是出具检测报告的阶段，不能有效促进生产厂家的技术创新。建立新的基板测试技术评价服务体系将弥补国内基片检测的漏洞，促进我国基板技术的蓬勃发展[3]。

现阶段国内陶瓷基板企业蓬勃发展，受国际形势的影响，我国必须建立高精尖的基板生产企业以满足现在陶瓷基板使用需求[4]。然而国内陶瓷基板的测试技术还没有形成一个完整的体系，建立一个测试评价服务平台不仅能产生巨大的经济效益，同时能够提高国内陶瓷基板材料的性能，摆脱我国对国外基板的依赖，从而提高我国的综合实力。

2 国内外评价标准情况

目前陶瓷覆铜板性能测试主要针对陶瓷基片的性能，覆铜后的性能没有确定的测试标准方法[5]。通过调研研究，深入了解陶瓷覆铜板在实际使用中的性能（力学、热学、电学等）指标，并根据指标需求，对陶瓷覆铜板测试技术的检测标准进行梳理，明确陶瓷基板的检验项目和性能指标[6]。

国内对于功率半导体模块用陶瓷覆铜板可靠性能评价没有统一、确切的标准体系，PCB 工艺覆铜板的测试标准不能满足现阶段陶瓷覆铜板的检测需求。有关功率半导体模块用陶瓷覆铜板的产品标准仍为空白。

表1 陶瓷覆铜板产品和方法标准

结合当前现有标准及生产厂家的企业标准进行分析比对，不难发现陶瓷覆铜板产品的主要性能参数存在如下主要问题：

1)通过市场调研，深入了解陶瓷基板在实际使用中的性能（力学、热学、电学等）指标。并根据指标需求，对陶瓷覆铜板测试技术的检测标准进行梳理，明确陶瓷基板的检验项目和性能指标。

2)对于目前陶瓷基板性能测试标准比较单一，目前主要采用电子陶瓷标准方法GB/T 5593 和GB/T5594。通过跟生产使用厂家沟通，根据精细陶瓷标准对基板的适用性选择合适的基片性能检测标准，并对可采用标准做统一归纳整理。形成一套适应生产厂家和使用厂家的测试标准体系。

3)试验室目前欠缺的检测标准以及相关简单设备，进行汇总，对相应电子标准扩项，基础设备的采购。确保试验室的正常检测活动。

4)目前国内对于陶瓷覆铜板疲劳性能评价没有统一、确切的标准体系，制定基片评价标准，开发相应的测试设备。

通过调研分析发现，现有的检测参数中，部分参数的测试方法不能反映产品的真实性能，结合陶瓷覆铜板产品的特性，提出陶瓷覆铜板待解决的关键问题，比如：

1)针对陶瓷基片厚度只有0.25mm-1mm，在测量基片弯曲强度曲率半径太小，导致强度测试结果与实际应用不符合的现象，制定相应的测试标准，使测试结果准确表征产品的使用性能。

2)研究陶瓷基板性能测试中：弹性模量、泊松比、断裂韧性等标准的适应性问题，探究更为可靠的表征方法。

3)协助基片生产厂家超薄基片生产工艺的改进研发，研究陶瓷基片内部气孔空洞对基片性能的影响，现阶段国内基片的生产水平落后于日本、德国等国家，国内的基片厚度大、强度低等缺点，协助厂家提高基板的产品质量。

4)目前国内陶瓷基片疲劳性能测试方法缺失，借鉴国外先进评价技术，实现国内疲劳性能测试的空白，并组织相关仪器设备厂家研发相应评价设备。

5)建立完善的陶瓷基片(板)产品质量评价体系。结合陶瓷基板产业链上下游需求，特别是用户对陶瓷基板的服役性能的需求，建立完整的产品质量评价指标体系。组织全产业链各方共同参与讨论，建立融合使用方和生产方需求满足产品实际服役需求的质量评价指标体系。

3 共性关键技术开发

3.1 产品符合性

参照国内现行标准对氧化铝陶瓷覆铜板检验项目及要求进行了规定，具体见表2 形成产品符合性评价表。

表2 陶瓷覆铜板检验项目及要求

3.2 工艺稳定性

氧化铝陶瓷覆铜板工艺流程图如图1 所示。

图1 陶瓷覆铜板工艺流程图

通过对工艺流程的梳理，确定工艺指标的数据化评价方法，形成工艺稳定性评价表，具体见表3。

表3 陶瓷覆铜板工艺稳定性参数控制要求

3.3 关键点的过程控制能力

通过微观表征、XPS 断面分析、热阻测试、机械性能测试、腐蚀性能测试等方面的测试数据比对，分别从微观和宏观侧面验证陶瓷覆铜板工艺兼容性和细微电路适用性。

1)铜面晶粒对比分析：

图2 为样品铜面光学金相照片的对比，左侧样品铜晶粒度尺寸50～60μm 左右，右侧样品铜的晶粒比较大其晶粒尺寸超过200μm。其中左侧样品中铜晶界上分布大量颗粒状二次析出相。由此可推测，样品采用的薄铜板在加热过程中的钉扎晶界可以抑制晶粒粗化。图3 样品横断面金相照片中可见，左侧样品中铜的晶粒数量较多，右侧样品中铜的晶粒数量很少。通过以上对比实验分析，可用于指导产品质量提升。

图2 样品铜面金相照片

图3 样品横断面金相照片

图4 样品铜与氧化铝陶瓷结合层扫描电镜照片

2)铜箔结合层对比分析：

在宏观上通过剥离试验测试铜与氧化铝陶瓷的结合强度，微观上，通过扫描电镜照片比对铜与氧化铝陶瓷之间的结合情况，观察界面存在的气孔缺陷。提高产品质量。

3.4 服役适用性

陶瓷覆铜板的服役性能，主要检测覆铜板的耐温度冲击、耐温度铜面剥离、铅热回流、焊接性能等，具体要求如表4 所示：

表4 服役适用性检验项目表

4 国内外产品性能比对结果

样品选用以下生产单位做比对试验，如：日本丸和、德国赛昂泰克、国内厂家1、国内厂家2、国内厂家3、国内厂家4，具体结果见表5。

表5 服役适用性检验项目表

按规范内容，抽取30 片国内公司生产的陶瓷覆铜板，评价结果见表6。

表6 陶瓷覆铜板检验结果和评价结果

从评价结果可以看出，按照本规范规定的测试方法对本次抽取的氧化铝陶瓷覆铜板进行测量后，其结果符合规定的指标要求。同时，该型号的氧化铝陶瓷覆铜板在电气性能、机械性能、耐热性能等方面表现良好，具有较高的品质和稳定性，适用于高端电子产品的制造。因此，该产品在市场上具有较高的竞争力和市场需求。

陶瓷覆铜基板是功率模块中常用的基板材料，其质量对功率模块的性能和可靠性具有重要影响。因此，建立一个科学、全面的测试评价体系对于保障功率模块质量非常必要。目前，陶瓷覆铜基板质量测试评价体系已经得到了应用，其应用效果良好。该体系包括基板的物理性能、机械性能、热性能等多个方面的测试项目，通过对这些项目的测试和评价，可以全面了解陶瓷覆铜基板的质量状况，为功率模块的设计和生产提供科学依据。

此外，陶瓷覆铜基板质量测试评价体系还可以帮助制造商和用户进行质量管理和质量控制。制造商可以通过对基板进行测试和评价，及时发现和解决质量问题，提高产品的质量水平；用户可以通过对基板的测试和评价，选择合适的基板材料，提高功率模块的可靠性和性能。

综上所述，陶瓷覆铜基板质量测试评价体系应用效果良好，对于保障功率模块的质量和可靠性具有重要作用。说明该评价方案可有效应用于陶瓷覆铜板产品的评价。