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高壓大功率IGBT模塊首選封裝材料——AMB陶瓷基板

10 2024-03-18
AMB陶瓷基板

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是在金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合功率器件,具有輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)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(diǎn),大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電力機(jī)車?yán)锏碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)以及并網(wǎng)技術(shù)、儲(chǔ)能電站、工業(yè)領(lǐng)域的高壓大電流場合的交直流電轉(zhuǎn)換和變頻控制等領(lǐng)域,是電力電子領(lǐng)域中最重要的大功率器件,是綠色經(jīng)濟(jì)的核“芯”。




陶瓷電路板散熱、載流能力突出,廣泛應(yīng)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(zhì)大多數(shù)為玻璃纖維(FR-4),酚酸樹脂(FR-3)等材質(zhì),粘合劑通常是酚醛、環(huán)氧等。在 PCB 加工過程中由于熱應(yīng)力、化學(xué)因素、生產(chǎn)工藝不當(dāng)?shù)仍?,或設(shè)計(jì)過程中由于兩面鋪銅不對(duì)稱,很容易導(dǎo)致PCB 板發(fā)生不同程度的翹曲。


陶瓷 PCB 在基板材質(zhì)和覆銅方式上均具備優(yōu)勢(shì)。材質(zhì)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(yīng)用于大功率電力電子模塊、航空航天、軍工電子等產(chǎn)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(jié)合力強(qiáng)、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(jī)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(wǎng)的高速發(fā)展,對(duì)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(dǎo)致IGBT模塊失效。據(jù)報(bào)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(shí)現(xiàn),其作用是吸收芯片的產(chǎn)熱并傳導(dǎo)至熱沉上,從而實(shí)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(nèi)常用陶瓷基板材質(zhì)主要為 Al2O3、AlN 和Si3N4:


1)氧化鋁(Al2O3)最常用。因?yàn)樵跈C(jī)械、熱、電性能上相對(duì)于大多數(shù)其他氧化物陶瓷,強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性高,且原料來源豐富,適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。


2)氮化鋁(AlN)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率、抗彎強(qiáng)度大,其機(jī)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(jié)構(gòu)和應(yīng)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(shí)現(xiàn)陶瓷基板覆銅后再刻蝕的不同工藝,當(dāng)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(yīng)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(shù)是DBC(Direct Bond Copper,直接覆銅)工藝技術(shù)的進(jìn)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(shí)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(duì)陶瓷的潤濕性,使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實(shí)現(xiàn)焊接。

AMB基板制備技術(shù)是DBC基板工藝的改進(jìn)(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(shí)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(jìn)而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力。


目前國內(nèi)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(shù)的陶瓷基板能更好地解決上述痛點(diǎn),目前該技術(shù)不僅在汽車領(lǐng)域,還在航天、軌道交通、工業(yè)電網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。



AMB 氮化硅基板是第三代 SiC 半導(dǎo)體功率器件首選


一方面,AMB 氮化硅基板具有較高的熱導(dǎo)率(>90W/mK),厚銅層(達(dá) 800μm)還具有較高熱容量以及傳熱性。因此,對(duì)于對(duì)高可靠性、散熱以及局部放電有要求的汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)、牽引系統(tǒng)和高壓直流傳動(dòng)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(dá) 0.8mm)焊接到相對(duì)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(dǎo)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(nèi)外公認(rèn)兼具高導(dǎo)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(dǎo)體功率器件高導(dǎo)熱基板材料的首選。據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)前 600V 以上功率半導(dǎo)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(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力車(HV)功率半導(dǎo)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(dǎo)體。



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