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高壓大功率IGBT模塊首選封裝材料——AMB陶瓷基板

AMB陶瓷基板

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是在金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)和雙極晶體管的基礎上發(fā)展起來的一種新型復合功率器件,具有輸入阻抗大、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區(qū)大和可耐高電壓和大電流等一系列優(yōu)點,大規(guī)模應用于電動汽車、電力機車里的電機驅動以及并網技術、儲能電站、工業(yè)領域的高壓大電流場合的交直流電轉換和變頻控制等領域,是電力電子領域中最重要的大功率器件,是綠色經濟的核“芯”。




陶瓷電路板散熱、載流能力突出,廣泛應用于大功率場景。陶瓷基板又稱陶瓷電路板,由陶瓷基片和布線金屬層兩部分組成。普通PCB 通常是由銅箔和基板粘合而成,而基板材質大多數(shù)為玻璃纖維(FR-4),酚酸樹脂(FR-3)等材質,粘合劑通常是酚醛、環(huán)氧等。在 PCB 加工過程中由于熱應力、化學因素、生產工藝不當?shù)仍?,或設計過程中由于兩面鋪銅不對稱,很容易導致PCB 板發(fā)生不同程度的翹曲。


陶瓷 PCB 在基板材質和覆銅方式上均具備優(yōu)勢。材質上,陶瓷基板由于散熱性能、載流能力、絕緣性、熱膨脹系數(shù)等,都要優(yōu)于普通的玻璃纖維PCB 板材,從而被廣泛應用于大功率電力電子模塊、航空航天、軍工電子等產品上;覆銅方式上,陶瓷 PCB 是在高溫環(huán)境下,通過高/低溫共燒、鍍銅、覆銅等方式把銅箔和陶瓷基片拼合在一起,結合力強、銅箔不易脫落、可靠性高,在溫度高、濕度大的環(huán)境下性能穩(wěn)定。因此,陶瓷襯板能在 IGBT 中能起到較好的機械支撐+電路互聯(lián)+電氣絕緣+散熱通路的功能。


隨著我國新能源汽車、高鐵、城市軌道交通以及智能電網的高速發(fā)展,對高壓大功率IGBT模塊的需求日益增長。由于GBT輸出功率高、發(fā)熱量大,芯片散熱不良將導致IGBT模塊失效。據(jù)報道,約70%的IGBT模塊失效歸因于散熱不良引起的鍵合線剝離或熔斷。芯片的散熱主要通過IGBT模塊中的陶瓷基板來實現(xiàn),其作用是吸收芯片的產熱并傳導至熱沉上,從而實現(xiàn)芯片與外界之間的熱交換。

Si3N4陶瓷基板更多采用 AMB工藝。

根據(jù)材料分類,國內常用陶瓷基板材質主要為 Al2O3、AlN 和Si3N4:


1)氧化鋁(Al2O3)最常用。因為在機械、熱、電性能上相對于大多數(shù)其他氧化物陶瓷,強度及化學穩(wěn)定性高,且原料來源豐富,適用于各種各樣的技術制造以及不同的形狀。


2)氮化鋁(AlN)導熱率較高。氮化鋁陶瓷是以氮化鋁粉體為主晶相的陶瓷。相比于氧化鋁陶瓷基板,絕緣電阻、絕緣耐壓更高,介電常數(shù)更低。其熱導率是Al2O3 的 7-10 倍,熱膨脹系數(shù)(CTE)與硅片近似匹配。


3)氮化硅(Si3N4)可靠性優(yōu)秀。氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)(2.4ppm/K)較小,與硅芯片(4ppm/K)接近。氮化硅基板具有較高的熱導率、抗彎強度大,其機械性能具有優(yōu)異的耐高溫性能、散熱特性和超高的功率密度。此外,載流能力較高,而且傳熱性也非常好。



根據(jù)封裝結構和應用要求,陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。再根據(jù)實現(xiàn)陶瓷基板覆銅后再刻蝕的不同工藝,當前較普遍的陶瓷散熱基板分為 HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB 等。AMB 工藝因可靠性更優(yōu),逐漸成為主流應用。其中 Al2O3陶瓷基板主要采用 DBC 工藝,AlN 陶瓷基板主要采用DBC 和AMB工藝,Si3N4陶瓷基板更多采用 AMB 工藝。


AMB(Active Metal Brazing,活性金屬釬焊)工藝技術是DBC(Direct Bond Copper,直接覆銅)工藝技術的進一步發(fā)展。


AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接?;钚院噶贤ㄟ^在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備,由于稀土元素具有高活性,可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性,使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現(xiàn)焊接。

AMB基板制備技術是DBC基板工藝的改進(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合,而AMB基板采用活性焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合),通過選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C),進而降低陶瓷基板內部熱應力。


目前國內的IGBT模塊大部分還是采用DBC工藝,隨著工作電壓、性能要求的不斷提升,AMB工藝技術的陶瓷基板能更好地解決上述痛點,目前該技術不僅在汽車領域,還在航天、軌道交通、工業(yè)電網領域廣泛應用。



AMB 氮化硅基板是第三代 SiC 半導體功率器件首選


一方面,AMB 氮化硅基板具有較高的熱導率(>90W/mK),厚銅層(達 800μm)還具有較高熱容量以及傳熱性。因此,對于對高可靠性、散熱以及局部放電有要求的汽車、風力渦輪機、牽引系統(tǒng)和高壓直流傳動裝置等來說,AMB 氮化硅基板是首選的基板材料。


另一方面,AMB 可將非常厚的銅金屬(厚度可達 0.8mm)焊接到相對較薄的氮化硅陶瓷上。因此,載流能力較高,而且傳熱性也非常好。此外,氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第 3 代半導體襯底SiC 晶體接近,使其能夠與 SiC 晶體材料匹配更穩(wěn)定


氮化硅是國內外公認兼具高導熱、高可靠性等綜合性能最好的陶瓷基板材料,這使氮化硅成為第 3 代SiC 半導體功率器件高導熱基板材料的首選。據(jù)統(tǒng)計,當前 600V 以上功率半導體所用的陶瓷基板主要采用 DBC 和 AMB 工藝,其中 AMB 工藝 Si3N4陶瓷基板主要用于電動汽車(EV)和混合動力車(HV)功率半導體,AMB 工藝 AIN 陶瓷基板主要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導體。



深圳市金瑞欣特種電路技術有限公司

金瑞欣——專業(yè)的陶瓷電路板制造商

通過公司研發(fā)團隊的不懈努力,現(xiàn)已成功研發(fā)微小孔板、高精密板、難度板、微型化板、圍壩板等,具備DPC、DBC、HTCC、LTCC等多種陶瓷生產技術,以便為更多需求的客戶服務,開拓列廣泛的市場。

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