绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种融合了双极晶体管和金属氧化物场效应晶体管优点的复合功率器件，能够实现电能的高效转换与控制，在航空航天的电力控制、轨道交通的牵引制动、新能源汽车的充放电及发电逆变等方面应用广泛。应用于新能源汽车中时，IGBT因需在高功率条件下工作且设备空间小，对散热性和可靠性要求极高。覆铜板作为IGBT模块的封装材料，起着固定连接芯片、联通外部电路和传导散热的作用。根据基板材料的不同覆铜板可分为金属基覆铜板、树脂基覆铜板和陶瓷基覆铜板：金属基覆铜板常用于航空航天、军工等极端服役环境，树脂基覆铜板多应用于小功率电子器件，陶瓷基覆铜板则在IGBT模块封装中占主导地位。陶瓷基覆铜板根据陶瓷材料种类可分为Al2O3、AlN和Si3N4陶瓷基覆铜板，其中Al2O3陶瓷基覆铜板应用较早且广泛，AlN陶瓷基覆铜板具有较好的综合性能，Si3N4陶瓷基覆铜板的力学性能和导热能力更优，在IGBT模块封装，尤其是在新能源汽车领域中对抗震和导热要求高、体积小的IGBT模块方面具有广阔的应用前景。

活性金属钎焊（AMB）覆铜是制备陶瓷基覆铜板的一种工艺，通过将铜板、活性金属钎料（含钛、锆、钒、铪和铬等元素）和陶瓷基板组合成“铜- 钎料-陶瓷”的“三明治”结构，再施以高温实现铜与陶瓷连接，具有工艺流程简单、陶瓷板与铜板间结合力高和覆铜板容易蚀刻等优点。金属铜板的线膨胀系数高于陶瓷基板，二者在进行AMB时会因热膨胀系数不匹配而产生较大的残余应力，导致覆铜板变形和断裂；这就要求焊层的热膨胀系数应介于陶瓷与铜板之间。为了实现铜板与陶瓷间的良好结合，钎料还应能很好地润湿铜板和陶瓷，并与二者形成冶金结合。目前，工业中制备覆铜板时采用的主流钎料是AgCuTi合金钎料，其制备工艺成熟且简单高效，用该钎料制备的陶瓷基覆铜板具有优良的导热性能和较高的结合强度。在AgCuTi合金钎料中，银元素可以改善钎料的流动性能，降低熔点，并细化钎焊时生成的金属间化合物，从而提高接头韧性；铜的加入可以增强焊层的强度和韧性，从而提高陶瓷基覆铜板的力学性能；钛作为活性元素，可以与陶瓷反应从而促使焊层与陶瓷表面的反应结合。在实际生产应用中，AgCuTi合金钎料的应用形式（焊片、焊膏等）会影响生产工艺的选择和效率以及钎焊效果。空洞率反映了焊层的致密程度，空洞的产生主要源于钎料挥发、润湿不均或残留气体，空洞增多会导致导热性能下降，引发应力集中；热循环可靠性反映了陶瓷基覆铜板在温度反复升降环境下的稳定性，主要受陶瓷与铜热膨胀系数差异的影响，也受钎焊产生的残余应力影响，残余应力易诱发裂纹扩展。探讨空洞率及热循环可靠性的影响因素，对于调控钎料成分和工艺参数以制备高性能覆铜板具有重要意义。

为了给相关研究人员提供参考，作者综述了AgCuTi合金钎料钎焊陶瓷和铜板时的润湿作用和界面反应，总结了AgCuTi合金钎料的应用形式以及影响陶瓷基覆铜板空洞率与热循环可靠性的因素，展望了AgCuTi合金钎料未来的研究方向和行业应用发展趋势。

 

1    AgCuTi合金钎料的应用形式

AgCuTi合金钎料钎焊陶瓷基覆铜板时的应用形式与钎料自身的状态有关，主要有焊片和焊膏两种。焊片由银、铜和钛金属粉末经熔炼、轧制等工艺制成，使用时只需将其置于陶瓷与铜板之间，操作简便。但是，由于钛脆性大、机械加工性能较差，该钎料在轧制成焊片的过程中容易发生脆性断裂。焊膏由按比例添加的Ag-Cu-Ti合金粉末或银、铜、 钛（或TiH2）粉末，与有机溶剂、黏结剂、触变剂等钎焊助剂机械混合制成，使用时通过丝网印刷将其涂敷于陶瓷基板两侧，随后与铜板贴合，整个工艺高效成熟、机械自动化程度较高。但是，由于焊膏中含有较多有机物，钎焊时这些有机物会大量挥发，可能会降低炉体真空度，产生焊层空洞，从而影响钎焊效果。

基于高效率的工艺需求，目前AgCuTi合金钎料的主流应用形式是焊膏，并且为了降低成本，通常直接使用银、铜和钛金属粉末，采用搅拌机进行机械混合制备。这种方式更便于根据不同的产品要求和生产条件灵活调整配方。AgCuTi合金钎料焊膏在使用过程中会因有机物的挥发而产生焊层空洞，未来还需从焊膏助剂方面进行深入研究。

 

2 AgCuTi合金钎料的润湿特性与界面反应

通过AMB工艺连接陶瓷基板与铜板时，对于钎料性能的要求是相同的：钎料熔体应对铜板和陶瓷基板均能良好润湿；钎料熔体与基板界面应发生反应形成良好冶金结合，以得到结合强度优异的陶瓷基覆铜板。

2.1    界面润湿特性

钎料熔体需紧密附着并能在基板表面流动，填充狭窄缝隙，这是因为一旦出现空洞或填充不完整的情况都会降低焊层力学性能。钎料的润湿能力受基板材料、钎料组成、钎焊温度以及基板表面状态等多种因素影响。刘国化研究发现，Ag-27.5Cu-2.5Ti和Ag-28Cu-4Ti合金钎料在纯铜上的润湿角分别为12.1°，10.6°，说明这两种钎料能在铜表面紧 密附着并铺展。AgCuTi合金钎料对铜板的润湿性较好，相关研究多集中在其对陶瓷基板的润湿性能上。

AgCuTi合金钎料的钛含量对其润湿陶瓷的能力影响较大。刘国化研究发现，Ag-28Cu-4Ti合金钎料在Al2O3陶瓷上的铺展面积比Ag-27.5Cu-2.5Ti合金钎料大，说明钛含量的增加提高了钎料对Al2O3陶瓷的润湿能力。XU等研究发现，当钎料中钛质量分数从0增加至4.5% 时，AgCuTi合金钎料与AlN陶瓷表面的润湿角从22.9°减小到8.1°。钎料中的钛含量也并非越高越好：由于钛的高活性及其在钎料熔体中的运动能力有限，过多的钛会提高钎料熔体的表面张力，反而会降低对陶瓷表面的润湿能力。SONG等研究发现，在880℃下随着钛 含量的增加，AgCuTi合金钎料与Si3N4陶瓷表面的润湿角先减小后增大，当钛质量分数为4%时润湿角最小，为14.6°。此外，随着钛含量增加，钛与陶瓷反应生成的Ti5Si3金属间化合物会出现在钎料熔体中，导致钎料在陶瓷表面的铺展时间延长，铺展效率降低。AgCuTi合金钎料中银的作用主要有两方面： 一是降低合金熔点，从而降低钎焊温度；二是提高钛的活性，促使钎料与陶瓷的良好润湿和结合，减少钛的添加量。铜与钛的吸引力较强，容易发生反应生 成Cu-Ti化合物，降低钛的运动能力和活性。因此，在钛含量固定的情况下，减少铜含量、增加银含量有利于提高钛的活性和钎料的润湿能力。

钎焊温度过低会导致钎料熔化不完全，降低其在基板材料表面的铺展能力；钎焊温度过高时的钎料流动性大，容易出现外溢现象，从而减少对基板的润湿。YANG等研究发现，随着钎焊温度的升高，Ag-Cu-Ti合金钎料熔体的表面张力先降低后增加，在975℃时最低，此时钎料的润湿性能最佳。

陶瓷基板表面粗糙度越大，钎料熔体与其形成的润湿角越大，润湿性能越差。研究发现：表面粗糙度大的陶瓷表面的界面面积更大，与钎料发生界面反应时消耗的钛更多；当Al2O3陶瓷表面粗糙度由256nm增至636nm时，润湿角增大了8°。此外，洁净、无污染的陶瓷基板更有利于钎料润湿，因此钎焊前要去除陶瓷基板表面的油污和杂质。

2.2    界面反应

在AMB制备陶瓷基覆铜板的过程中，熔融的钎料与母材基板在界面处会发生化学反应，形成金属间化合物（IMC）层，这意味着钎料与母材基板之间实现了良好的冶金结合。界面处IMC的类型和分布情况对焊层的力学性能具有决定性作用。AgCuTi合金钎料与铜板在高温下会反应生成Cu2Ti等Cu-Ti化合物，同时钎料中的金属元素向铜板内部扩散，因此AgCuTi合金钎料与铜板之间的结合能 力通常较好。陶瓷与AgCuTi合金钎料的热膨胀系数相差较大，钎料与陶瓷界面的IMC层在受外力作用时属于应力集中区域，因此陶瓷侧界面在整个结构中尤为重要，相关研究也多围绕该界面展开。

研究人员对AgCuTi合金钎料钎焊Al2O3陶瓷的焊层及界面组织进行研究，提出了界面反应机制：高温下AgCuTi合金钎料熔化后，钛元素与Al2O3发生反应生成Ti2O，随后Ti2O与钛、铜反应生成Ti3Cu3O化合物，与陶瓷基板实现冶金结合。AgCuTi合金钎料钎焊Si3N4陶瓷时，钎料中的钛与Si3N4反应生成TiN与Ti5Si3化合物，实现了焊层和Si3N4陶瓷的冶金连接。熊丽媛采用自制的AgCuTi合金钎料，在930℃下保温10min钎焊AlN陶瓷与无氧铜，发现陶瓷与焊层界面附近生成了TiN化合物层，实现了焊层与陶瓷的良好结合。

AgCuTi合金钎焊层作为铜板与陶瓷的中间层，能够缓冲两种材料因热膨胀系数差异而产生的应力及变形。界面结合的牢固程度和AgCuTi合金钎料与陶瓷基板的TiN界面反应层厚度有关，提高钎焊温度、延长钎焊保温时间等方式均能增加反应层厚度，从而提高结合强度。有研究显示TiN反应层厚度在1.0~1.5μm时对界面结合有促进作用，但 过厚的TiN反应层会降低焊层强度。Si3N4陶瓷与AgCuTi合金钎料在界面反应过程中还会生成Ti-Si脆性相，该相尺寸增大会限制反应层厚度增加，厚度持续增加会对焊层结合力产生负面影响。

 

3    陶瓷基覆铜板的稳定性

陶瓷基覆铜板的产品性能和应用进展直接受到AgCuTi合金钎料及AMB工艺影响。目前，关于陶瓷基覆铜板稳定性的研究主要聚焦在焊后陶瓷基覆铜板的焊层空洞率以及热循环可靠性方面。

3.1    空洞率

空洞率是表征陶瓷基覆铜板焊层致密程度的重要指标，可以通过X射线透射仪扫描试样，用扫描面中空洞的投影面积除以扫描面的总面积来计算。

焊层出现空洞会增大该区域的热阻，降低陶瓷基覆铜板的导热散热能力，同时由于空洞处陶瓷与铜板未有效结合，还会降低陶瓷基覆铜板的可靠性。焊层空洞周围也可能会产生局部放电现象，对陶瓷基覆铜板的电气性能造成不良影响。因此，降低空洞率已成为国内外AgCuTi合金钎料研究和陶瓷基覆铜板生产的重要目标。

AgCuTi合金钎焊层产生空洞的原因有如下几个方面。

（1）基板材料的表面状态。陶瓷基板和铜板表面的油污、氧化程度和划痕凹陷等都会影响界面润湿性，导致焊层出现空洞，甚至出现未焊合情况。

（2）钎焊时的真空度。金属钛易氧化，会提前与钎焊气氛中的氧元素发生反应并被消耗，导致陶瓷界面处的反应不充分，从而产生空洞，因此高温钎焊时真空度通常需要达到10—3Pa级别，且整个钎焊过程都要维持这一真空度。以焊膏形式应用时添加 的有机钎焊助剂在高温下分解会产生气体，导致炉内真空度下降，未排出的气体留在焊层就会形成空 洞。

（3）印刷和钎焊工艺。以焊膏形式应用时需要通过丝网印刷技术将焊膏涂敷在陶瓷基板两侧，如果在此过程中发生印刷不均匀、漏印或未印上等情况，就会导致空洞出现；钎焊时若钎焊温度不够或者保温时间不足，钎料与陶瓷基板的润湿、反应不充分，同样会产生空洞。

针对上述原因，张义政等通过化学法（酸洗）+ 还原法（氢还原）处理Si3N4陶瓷和焊片表面，并调整AMB工艺参数，获得了低空洞率的最佳工艺 参数为钎焊压力2N、钎焊温度900℃；同时指出，原料表面的杂质阻碍了钛与氮元素的结合，钎焊工艺参数设置不当导致AgCuTi合金钎料的流动性变差，难以全面覆盖陶瓷基板。原料表面杂质污染和钎焊工艺参数不当会共同导致空洞的形成。

目前，有关焊层空洞率影响因素的研究主要集中在母材基板表面洁净状态、钎焊温度等方面。后续还应从陶瓷表面粗糙度、焊膏中有机物种类及钎料润湿性等方面开展研究。

3.2    热循环可靠性

IGBT模块在高电压和大电流条件下运行会产生大量热量，这些热量需要通过陶瓷基覆铜板进行传导。同时，由于IGBT模块在服役期间会频繁地断开与闭合，陶瓷基覆铜板常面临高频次的周期性高低温循环。在此过程中，陶瓷基板、焊层、铜板之间会因热膨胀系数不同而产生热应力和变形，导致覆铜板脱层或断裂。因此，陶瓷基覆铜板的热循环可靠性在IGBT模块的设计与验证中是重要的考虑因素之一，通常通过热循环测试来表征。

余晓初等比较了不同铜板厚度的Si3N4、AlN、Al2O3陶瓷基覆铜板在—45~150℃条件下的高低温循环冲击次数，发现Si3N4陶瓷基覆铜板的表现最佳，其循环次数分别为AlN、Al2O3陶瓷基覆铜板的10倍和100倍；杨春燕等研究发现，在—65~150℃循环条件下冲击测试后，Si3N4陶瓷基覆铜板未出现裂纹等缺陷，Al2O3陶瓷基覆铜板在经过100次冲击后，焊层出现明显裂纹。可见Si3N4陶瓷作为基板材料，可以大幅提升陶瓷基覆铜板的热循环可靠性，从而延长IGBT模块的使用寿命。

陶瓷基覆铜板的热循环可靠性除了与陶瓷基板材料本身性能有关，还与焊层空洞率密切相关。在陶瓷基覆铜板的使用过程中，空洞部位热量传导不佳，温度明显高于无空洞区域，而且位于陶瓷基覆铜板中心位置的空洞对热循环可靠性的危害要大于边缘位置的空洞。空洞处同时还是应力集中区域，裂纹更易在此处萌生，导致热循环可靠性降低。焊层空洞越大、空洞率越高，陶瓷基覆铜板的热循环可靠性就越低；反之，焊层的致密程度越高，连续性越好，与基板材料的结合越紧密，陶瓷基覆铜板的热循环可靠性越高。随着IGBT半导体朝向更大功率、更小体积发展，提高陶瓷基覆铜板的热循环可靠性变得更加迫切。

 

4结束语

陶瓷基覆铜板作为IGBT封装材料备受关注，AMB工艺结合AgCuTi合金钎料是陶瓷基覆铜板的主流制备方式，钎料对陶瓷基板与铜板的润湿能力以及界面反应对实现陶瓷基板和铜板的良好结合至关重要。AgCuTi合金钎料的润湿能力受钎料组分（如钛、银、铜含量）、钎焊温度和陶瓷基板表面状态等多种因素影响，同时钎料与母材界面形成的化合物层能提高结合强度。在实际应用中，AgCuTi合金钎料主要有焊片和焊膏两种形式，焊片因钛脆性大而在制备时易断裂，焊膏钎焊的自动化程度高，但含有的有机物挥发会影响钎焊效果。

AgCuTi合金钎料钎焊陶瓷基覆铜板会面临焊层空洞以及在温度循环变化环境下易出现脱层、断裂等有关热循环可靠性等问题。焊层空洞的产生与基板表面状态、钎焊真空度、印刷及钎焊工艺相关，而热循环可靠性受陶瓷基板材料性能和空洞率共同影响。目前，在AgCuTi合金钎料焊膏有机助剂和钎料润湿性对空洞抑制影响方面的研究尚不充分，在调整钎料组分和控制空洞以提升热循环可靠性方面的研究也有待深入。未来研究方向应聚焦在以下几个方面：

（1）研发低银、无银钎料，满足成本控制和高利润需求；

（2）深入探究钎焊工艺参数对焊层空洞的影响；

（3）进一步研究钎料组分和焊层空洞与热循环可靠性的关系，调整组分、减少空洞以提高可靠性；

（4）关注AgCuTi合金钎料制备和陶瓷基覆铜板生产过程的绿色无害化，减少环境污染。

 

来源：机械工程材料

关键词： AgCuTi合金钎料 钎焊 陶瓷基覆铜板