一文了解 IGBT 模塊封裝用陶瓷襯板技術(shù)

陶瓷襯板技術(shù)

IGBT 是電力電子變換中的核心元器件，以低電壓控制大功率電路的斷開與導(dǎo)通，廣泛應(yīng)用于軌道交通、新能源汽車、軍工航天、工業(yè)機(jī)器等領(lǐng)域。隨著我國高鐵、航空航天、混合動(dòng)力汽車的飛速發(fā)展， IGBT 模塊需要更高的可靠性、更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度、更低的能量損耗等，因此，需要高可靠性的封裝技術(shù)使芯片的優(yōu)勢能夠完全發(fā)揮出來。其中，IGBT 封裝用散熱基板在封裝時(shí)起著機(jī)械互連和電氣導(dǎo)通的作用，是高可靠性封裝中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

EC DUAL3 IGBT模塊

IGBT 封裝對基板材料的要求如下：熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)低、與芯片材料的熱膨脹系數(shù)相匹配、力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)良、加工性能好、成本低、耐熱沖擊和冷熱循環(huán)等。

一、IGBT 模塊封裝用陶瓷材料種類

IGBT 模塊的典型封裝結(jié)構(gòu)如圖所示，可以看出芯片產(chǎn)生的熱量主要通過基板和散熱翅傳遞出去，因此基板所采用的材料需要導(dǎo)熱性能優(yōu)良、耐熱沖擊，同時(shí)介電常數(shù)要低，避免產(chǎn)生雜散電感，減少能源損耗。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械固定，基板材料還需要具有一定的強(qiáng)度。由于陶瓷材料具有強(qiáng)度高、絕緣性好、導(dǎo)熱和耐熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為IGBT 封裝用基板材料。

IGBT 模塊封裝典型結(jié)構(gòu)圖

市面上常見的作為 IGBT 封裝用的基板材料有 AlN、Al2O3、Si3N4等，其具體物理參數(shù)如下表所示。還有在這些陶瓷成分的基礎(chǔ)上做的一些改性，使其既具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，又有較高的機(jī)械強(qiáng)度，如氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）。陶瓷材料的選擇，需要從陶瓷的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、電絕緣性能、機(jī)械強(qiáng)度、成本等進(jìn)行綜合考慮。

常見陶瓷材料的物理性能

1）Al2O3

Al2O3 陶瓷由于價(jià)格低廉，應(yīng)用最廣泛，但是其熱導(dǎo)率較低、熱膨脹系數(shù)高，芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量沒法及時(shí)散出，顯著降低了模塊的可靠性，不能滿足更大功率密度 IGBT 模塊的使用要求。

氧化鋁陶瓷片

2）AlN

AlN 陶瓷熱導(dǎo)率高，在室溫下，其理論熱導(dǎo)率可以達(dá)到 319 W/(m·K)，撓曲強(qiáng)度高，與 Si、SiC、GaN 的熱膨脹系數(shù)相近，是合適的基板選擇材料之一。

氮化鋁基板

3）Si3N4

商業(yè)常見的 Si3N4 陶瓷的熱導(dǎo)率達(dá)到 90 W/(m·K)，相對于 AlN 的熱導(dǎo)率低，但遠(yuǎn)大于 Al2O3 的熱導(dǎo)率，同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度高，斷裂韌性好，高溫可靠性更好。因此 Si3N4 在如今的 IGBT 封裝基板中具有很大的應(yīng)用潛力。

二、IGBT 模塊陶瓷襯板金屬化技術(shù)

IGBT 封裝用基板在模塊中除發(fā)揮機(jī)械固定元器件的作用外，還需要具有一定的載流能力。單純的陶瓷材料并不導(dǎo)電，需要將陶瓷金屬化后，在金屬層刻制電路，才能作為 IGBT 封裝用基板材料。這就帶來了新的問題，由于金屬和陶瓷的熱膨脹系數(shù)相差很大，在每一次冷熱循環(huán)后，會(huì)在界面處產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，長時(shí)間累積會(huì)導(dǎo)致金屬層剝落，陶瓷開裂，使得 IGBT 模塊失效。

金屬化陶瓷基板的可靠性

市面上的 IGBT 封裝基板采用直接覆銅（Direct Bonding Copper，DBC）、活性金屬釬焊（Active Metal Brazing，AMB）技術(shù)和直接敷鋁陶瓷基板（Direct Bonded Aluminum，DBA）技術(shù)，將不同的金屬材料與陶瓷材料互連，作為 IGBT 模塊封裝用基板。陶瓷和金屬互連的難題在于熔融金屬難以潤濕陶瓷表面，金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)不匹配，接頭處容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

1）DBC技術(shù)

DBC 是利用在 1065～1083℃形成的 Cu-O 共晶液能夠潤濕大多數(shù)陶瓷如 Al2O3、AlN，從而形成可靠的連接。

DBC陶瓷覆銅板

2）DBA技術(shù)

DBA是基于DBC技術(shù)發(fā)展起來的新型金屬敷接陶瓷基板，是鋁與陶瓷層鍵合而形成的基板，其結(jié)構(gòu)與DBC 相似，也可以像PCB基板一樣蝕刻出各式各樣的圖形。DBA 法常見的有兩類：①熔融液態(tài)鋁敷接法；②金屬過渡法。

DBA覆鋁陶瓷載板

3）AMB技術(shù)

AMB 是一種釬焊互連的方法，利用釬料中含有的 Ti、Zr、Al、Hf、Nb、Cr、Ta、V 等活性元素與陶瓷基板發(fā)生反應(yīng)，形成中間連接層，從而將金屬與陶瓷連接起來。AMB 的優(yōu)點(diǎn)是焊接工藝簡單，結(jié)合強(qiáng)度高；缺點(diǎn)是活性元素容易氧化，釬料成本高，需要在高真空或惰性氣氛下焊接，使得整個(gè)基板的成本提高。

AMB 陶瓷襯板

AMB 和 DBC、DBA 有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，DBC 基板成本低，但是可靠性差，不適合在苛刻環(huán)境下使用的 IGBT 模塊；而 AMB 得到的基板雖然成本提升，但可靠性高，更適合于高溫、高功率密度下使用的 IGBT 模塊，例如在航空航天、軌道交通、新能源汽車等領(lǐng)域中使用。DBA 與 DBC 在很多方面類似，但是相比于 DBC，DBA 具有顯著的抗熱震性能和熱穩(wěn)定性能，且重量輕、熱應(yīng)力小，對提高在極端溫度下工作器件的穩(wěn)定性十分明顯，因此特別適合用于功率電子電路。

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