高功率陶瓷電路板成就高性能IGBT

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。

IGBT是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子器件的“CPU”，應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車等直流電壓600V及以上的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中和新能源設(shè)備。封裝好的IGBT模塊直接應(yīng)用于逆變器、UPS不間斷電源等設(shè)備。

例如，IGBT在混合動(dòng)力汽車中的作用是交流和直流的轉(zhuǎn)換，IGBT還承擔(dān)著高低壓轉(zhuǎn)換的功能。外部充電是交流電，需要通過IGBT轉(zhuǎn)換成直流電再饋入電池。同時(shí)必須將220V電壓轉(zhuǎn)換成合適的電壓給電池組充電。當(dāng)電池放電時(shí)，直流電通過IGBT轉(zhuǎn)換成交流電供交流電機(jī)使用，同時(shí)對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行變頻控制。當(dāng)然，電壓轉(zhuǎn)換是必不可少的。 IGBT模塊GBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占成本的7-10%車輛的成本，這是除電池之外第二高的成本部件，也決定了車輛的能源效率。直流充電樁30%的原材料成本是IGBT，電力機(jī)車一般需要500個(gè)IGBT模塊。

一、陶瓷基板是IGBT的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料

高壓大功率IGBT模塊所產(chǎn)生的熱量主要是通過陶瓷覆銅板傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去的，因此陶瓷覆銅板是電力電子領(lǐng)域功率模塊封裝的不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

陶瓷基板既具有陶瓷的高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，又具有無氧銅金屬的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，并能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形。

陶瓷覆銅板集合了功率電子封裝材料所具有的各種優(yōu)點(diǎn)：

1)陶瓷部分具有優(yōu)良的導(dǎo)熱耐壓特性;

2)銅導(dǎo)體部分具有極高的載流能力;

3)金屬和陶瓷間具有較高的附著強(qiáng)度和可靠性;

4)便于刻蝕圖形，形成電路基板;

5)焊接性能優(yōu)良，適用于鋁絲鍵合。

二、DBC、AMB成IGBT主要覆銅板選擇

當(dāng)前IGBT模塊中，使用到的陶瓷覆銅板主要是DBC、DPC基板。

1.直接覆銅工藝(DBC)

DBC基本原理是利用了銅與氧在燒結(jié)時(shí)形成的銅氧共晶液相，潤濕相互接觸的兩個(gè)材料表面，即銅箔表面和陶瓷表面，同時(shí)還與氧化鋁反應(yīng)生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等復(fù)合氧化物，充當(dāng)共晶釬焊用的焊料，實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷的牢固結(jié)合。

DBC基板具有良好的導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率為20-260W/mK，IGBT模塊在運(yùn)行過程中，在芯片表面產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量可有效的通過DBC基板傳輸?shù)侥K散熱底板上，再通過底板上的導(dǎo)熱硅脂傳導(dǎo)于散熱器上，完成模塊的整體散熱流動(dòng)。同時(shí)，DBC基板膨脹系數(shù)同硅(芯片主要材質(zhì)為硅)相近(7.1ppm/K)，不會(huì)造成對(duì)芯片的應(yīng)力損傷，DBC基板抗剝力>20N/mm2,具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，耐腐蝕，不易發(fā)生形變，可在較寬溫度范圍內(nèi)使用。

2.活性金屬焊接工藝(AMB)

活性焊銅工藝是DBC工藝的進(jìn)一步發(fā)展，先將陶瓷表面印刷活性金屬焊料而后與無氧銅裝夾后在真空釬焊爐中高溫焊接，覆接完畢基板采用類似于PCB板的濕法刻蝕工藝在表面制作電路，最后表面鍍覆制備出性能可靠的產(chǎn)品。

AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)度更高，可靠性更好。

三、IGBT模塊用陶瓷覆銅基板發(fā)展方向

以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，為器件性能的進(jìn)一步大幅度提高提供了可能。針對(duì)SiC基/GaN基三代半導(dǎo)體器件高頻、高溫、大功率的應(yīng)用需求，為實(shí)現(xiàn)大功率電力電子器件高密度三維模塊化封裝，需要開發(fā)可靠性更高、耐溫性能更好、載流能力更強(qiáng)的陶瓷覆銅基板。

選材第一要素，功能要達(dá)標(biāo)。無論是氧化鋁、氮化鋁還是氮化硅等陶瓷基板，均需要根據(jù)IGBT需求規(guī)格進(jìn)行選材，并采用合適的覆銅工作制作成板。