作者：ZESTRON 可靠性与表面高级技术分析师、失效分析专家赵俊亮

前言

表面和界面是材料科学与工业技术应用中的两个重要概念。表面是物质与外界接触的部分，而界面则是两种不同物质相接触的地方。任何材料都有与外界接触表面或与其他材料区分的界面，在大力发展的电子装联技术中，材料表界面的问题更为突出。因此，材料表界面的研究在电子产品中的地位越发重要。

通过对表面和界面进行科学的研究和管控可以有效解决电子产品出现的污染、腐蚀、粘接不良、绝缘阻抗降低等问题，提高电子产品的装联品质与可靠性。眼下火热的新能源汽车领域中，功率模块无疑是其中的热点之一，它们是实现能量转换及传输的核心器件，主要通过控制和调节电能的流动，以实现电动机的驱动和车辆的动力输出。本文将从结构（涉及的表界面）、应用的挑战（高压/绝缘）和常用表征手段三个方面浅剖功率模块。

一、表面和界面

电子产品中表面镀层/涂层的腐蚀、磨损，粘接/焊接部位的断裂等都是零件表面材料或结合界面材料变异的过程，要实现对它们的管控，就需要了解表面和界面相关的知识。在物质科学中，表面和界面的性质主要表现在以下三个方面：

1. 相变化

如SMT生产中的焊接工艺的相变化：

锡膏中的金属成份(主要是Sn)与PCB的焊盘（Cu）在高温条件下生成新的相（IMC层），如图1所示。

图1：焊料与焊盘焊接后形成IMC层

如PCBA表面的涂覆层:

在化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）过程中，气态的反应物质在表面上凝聚成固态的薄膜，如图2所示。

图2：CVD: 涂覆后的PCBA

2. 化学变化

表面和界面也是化学反应发生的场所。表面上的化学反应可以发生在固体表面、液体表面或气体表面，例如催化反应、电化学反应等。在界面上，不同相之间的相互作用导致界面区域的化学反应发生变化，例如，在液体-液体界面上，可以发生离子交换、化学平衡调整等反应。

如在PCB洁净的焊盘基材(Cu)表面通过电化学反应可以形成新的保护镀层（ENIG），如图3所示。

图3：PCB焊盘镀层:ENIG

3. 物理相关性

表面和界面的特殊性质还与材料的吸附、解吸性能、防腐、耐磨、粘附、润湿性等有关。例如，在材料的表面和界面处，由于表面能的存在，物质的吸附和解吸性能会受到影响，从而影响材料的化学性质和物理性质。此外，表面和界面的特殊性质还会影响材料的防腐、耐磨、粘附、润湿性等性能，从而影响材料的使用寿命和性能，如图4所示。

图4：表面能降低导致的“缩锡”现象

二、功率模块的表界面

1、功率模块结构探究

常见的功率模块一般有散热器、基板、Si/SiC芯片三大部分组成（如图1所示），涉及清洗、焊接、金属线键合、灌封等工艺。那么功率模块各部分的作用是什么？涉及的表界面有哪些呢？结合图2，接下来一起探究。

图5：结构示意图

图6：表界面树图

（1）散热器

散热器的常见材质是铝，通过双层焊接在一起形成内部空腔结构。冷却水道对颗粒物敏感，颗粒物会通过冷却水道流到泵中，影响泵的性能。

散热器涉及的表界面及管控要求：

a. 铝表面-内侧：用于双层焊接，形貌空腔。要求润湿性或可焊性良好。

（a）焊接后焊料与铝表面结合成界面1

管控要求：密封性良好，不会漏液。

（b）焊接后表面

管控要求：不能产生腐蚀；表面残留物的成分、量值和分布等指标不能影响后段工艺的粘接性与绝缘性等。

b. 散热器表面-镀层1：用于与基板焊接，常见镀层为Cu，要求润湿性或可焊性良好。

（a）焊接后焊料与镀层1结合成界面2

管控要求：机械强度、导热率、空洞率，尤其是空洞的水平，不能影响芯片的散热性能。

（b）焊接后表面

管控要求：不能产生腐蚀；表面残留物的成分、量值和分布等指标不能影响后段工艺的粘接性与绝缘性等。

（2）基板

常见的基板有DBC、AMB两种陶瓷基板，主要是为了满足电动汽车等用的高压、大电流、高功率功率模块的散热和可靠性等关键要求。DBC（直接键合铜）陶瓷基板是一种在高温条件下通过共晶键合的方式将铜箔和陶瓷基板牢固结合在一起的技术。该技术在1000℃以上的含氧氮气环境中进行加热，使得铜箔和陶瓷基板形成键合，具备高键合强度，良好的导热性和热稳定性。AMB（活性金属钎焊）基板制备技术是对DBC基板工艺的改进，主要通过使用活性焊料实现铜箔和陶瓷基片之间的键合。与DBC基板中的直接键合相比，AMB基板可以降低键合温度（低于800°C），从而减少陶瓷基板内部的热应力。此外，AMB氮化硅基板的热导率也比DBC氧化铝高出3倍。

基板涉及的表界面及管控要求：

a. 基板表面-镀层2/镀层3

管控要求：通过焊接工艺与基板和芯片连接在一起，镀层润湿性或可焊性良好。

b. 焊接后与焊料1/2结合成界面3/4

管控指标：机械强度、导热率、空洞率，尤其是空洞的水平，不能影响芯片的散热性能。

c. 镀层3与键合金属线键合后结合成界面5

管控指标：机械强度、电气绝缘间距、弧度、键合点形状等。

d. 焊接后表面

管控要求：表面残留物的成分、量值和分布等指标不能影响产品的表面电极间距、绝缘性能、及后工序粘接工艺等。

（3）芯片

常见的为Si和SiC芯片，主要区别如表1所示：

表1：Si和SiC芯片特征对比

芯片涉及的表界面及管控要求/指标：

a. 芯片底部：通过焊料2与基板连接在一起

管控要求：镀层润湿性或可焊性良好。

b. 芯片顶部：芯片表面Pad

管控要求：常规要求是可键合性良好。

c. 芯片底部焊接后与焊料2结合成界面6

管控指标：机械强度、导热率、空洞率，尤其是空洞的水平，不能影响芯片的散热性能。

d. 芯片顶部表面Pad与金属线键合后结合成界面7

管控指标：机械强度、间距、弧度、键合点形状等。

（4）灌封

常见的灌封材料为有机硅凝胶和环氧灌封胶，用于保护芯片、绑定线和DBC等。灌封的目的是提高模块的整体性和绝缘能力，增强防潮和抗污性能，提高可靠性和寿命。

灌封涉及的表界面及管控指标：

1. 灌封胶填充在功率模块中裸露的表面和缝隙中结合成界面8

管控指标：粘接强度、介电性能、绝缘强度等。

2、常用表征手段

（1）残留物表征

a. 有机物残留：FTIR (傅里叶变换红外光谱法)；参考标准：IPC-TM-650 2.3.39C。

b. 离子物残留：ROSE (溶剂萃取电阻率法)、C3（局部离子清洁度测试）、IC（离子色谱法）、C3+IC；参考标准：IPC-TM-650 2.3.25 、IPC-TM-650 2.3.25.1、IPC-TM-6502.3.28。

c. 颗粒物残留：TC（技术清洁度），参考标准：VDA19.1。

d. 助焊剂残留：Zestron独创的快速检测（ZESTRON®Resin test松香/树脂残留测试及ZESTRON®Flux test助焊剂活性剂残留测试）:通过显色法快速定性/定位残留物。

（2）电性能表征

绝缘强度/耐压测试、SIR（表面绝缘电阻测试）等。

（3）涂覆/灌封/封装质量表征

CoRe （涂覆可靠性测试）：快速定性薄弱环节，对电化学迁移和爬行电流进行应力测试，以检测缺陷、边缘覆盖或固化不足的情况。

CLT (ZESTRON®Coating Layer Test涂覆层测试)：快速定性薄弱环节，通过使气孔和边缘覆盖不良呈现发黑，暴露防护性涂覆层缺陷。

IVT (碘蒸气测试)：验证涂覆对腐蚀性气体和湿气的保护作用，以及由此产生的（爬行）腐蚀。

（4）可靠性评价

恒定湿热试验、交变湿热试验、HV-H3TRB（高压-高温高湿反偏测试）等。

图7：ZESTRON分析手段（部分）

三、功率模块面临的高压挑战

功率模块在眼下火热的新能源汽车领域的挑战之一就是高电压带来的挑战：在高压环境中由ECM（电化学迁移）、漏电流引起的损坏机制发生的更加频繁，而更高压也会引起新的难题，如AMP（阳极迁移现象）。

图8：电子元件上的触点距离/爬电距离要求

2023年6月6日，ZESTRON公司Helmut Schweigart博士在受邀参加的IPC“可靠性之路”系列讲座之《高压-电动汽车电子硬件可靠性》网络研讨会上提出，在60V以内电压范围内业内有丰富的知识经验支持，到了400V，1200V应用，从业者正在冒险进入未知领域（如上图所示）。

表界面质量或状态决定了电气绝缘的质量，在高压可靠性方面具有重要性，主要体现在以下几个方面：

1.防止电荷泄漏和电流短路：在高电压环境中，高品质表界面状态使其具有良好的电气绝缘性能，能够有效隔离不同电势之间的电荷，防止电流的泄漏和短路。

2.提供稳定的绝缘阻抗：高品质表界面状态能够提供稳定的绝缘阻抗，防止绝缘阻抗的降低。

3.防止电弧和火灾的发生：在高电压应用中，电弧和火灾是严重的安全隐患。表界面的电气绝缘性能能够有效隔离电气设备中的电流，防止电弧和火灾的发生

综上所述，表面和界面是电子装联技术中的不可忽略的领域。通过对表面和界面进行科学的研究和管控，可以有效解决电子产品出现的污染、腐蚀、磨损、粘接不良、断裂等失效问题或潜在风险，从而提高电子产品的装联品质与可靠性。本文通过对功率模块结构的剖析，希望帮助业内相关人士了解功率模块的表界面及其要求。并认识到在高压方面存在的挑战，本文建议在设计阶段和工艺过程控制中创造良好的表界面性能条件，从而可以显著改善和提升产品的质量和可靠性。

关于ZESTRON

ZESTRON在表界面分析、风险分析、失效分析等方面拥有丰富的全球经验。ZESTRON全球可靠性与表面技术（R&S）团队，由表面分析、材料科学、应力测试和电子制造领域经验丰富的专家组成。多年来，一直为世界各地的客户提供有关汽车、医疗、工业、消费电子和航空等领域电子零部件的潮湿防护和表面及界面相关技术问题的支持。ZESTRON在提高电子零部件及整机可靠性领域为行业客户提供高价值的分析服务和咨询、培训及辅导。从设计阶段到量产开始，再到大批量的现场使用，R&S专家不仅评估失效风险和预防措施，而且还从机理和根本原因层面分析验证试验中的失效和现场的损坏。

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(ZESTRON R&S源自德国，领先全球，在解决表面污染、失效分析和预防及提升可靠性等专业领域拥有经验丰富的国际化团队，广泛服务于汽车、医疗、工业、航空和消费电子等领域，为整个电子产业提供培训、咨询和失效分析等服务。凭借ZESTRON全球的智力资源和先进的北亚区分析中心，ZESTRON R&S能够对IC、BGA等元器件产品、PCB、PCBA等电子半成品及成品进行全面而精准的表征和评价，同时结合专业经验为客户提供详细的分析报告并推荐纠正措施。

ZESTRON R&S采用的技术手段包括但不限于：高清数码显微镜目检、离子色谱法IC、离子污染度测试 ROSE、傅里叶变换红外光谱法 FTIR、涂覆可靠性测试 CoRe test、颗粒物测定/技术清洁度 Technical Cleanliness、扫描电子显微镜/X射线能谱分析仪 SEM/EDS、X射线光电子能谱 XPS、俄歇电子能谱 AES、涂覆层测试 Coating Layer Test、助焊剂/树脂测试 Flux/Resin Test 、接触角测量 Contact Angle、表面绝缘电阻测量 SIR、差热分析 DTA等。目前ZESTRON R&S已帮助全球知名制造厂商圆满完成了上百例失效分析及技术辅导服务。)