IGBT陶瓷基板的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

什么是IGBT？

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫，即絕緣柵雙極晶體管，由雙極結(jié)型晶體管（BJT）和金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電子電力器件，是一種電壓控制開關(guān)型功率半導(dǎo)體器件，也是電能轉(zhuǎn)換的核心器件。IGBT 可分為單管、模塊和智能功率模塊（IPM）三類產(chǎn)品。

IGBT 是誕生于20世紀(jì)80年代的功率半導(dǎo)體器件，是國際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域的核心元器件，其作用類似于人類的心臟，能夠根據(jù)工業(yè)裝置中的信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的。

二、IGBT模塊的結(jié)構(gòu)

IGBT模塊是由多種材料封裝而成，包括芯片、陶瓷覆銅板、鍵合線、底板、散熱器、導(dǎo)熱膠、焊料等。

1、陶瓷覆銅板

陶瓷覆銅板具有高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特點(diǎn)，可保證模塊內(nèi)部的高壓對散熱器的絕緣安全，其良好的散熱性能，能夠?qū)⒐β势骷ぷ鲿r的熱量傳出去，有效降低模塊內(nèi)部溫度，提高可靠性。

2、底板

底板是高壓大功率模塊IGBT模塊整體封裝必不可少的部件，作為與散熱器之間的散熱通道，其主要材料有Cu、AlSiC等。

3、芯片

IGBT 芯片是IGBT模塊的核心，由于其工作在大電流、高電壓、高頻率的環(huán)境下，對芯片的可靠性要求較高，同時需保持開閉和損耗、抗短路能力和導(dǎo)通壓降維持平衡，設(shè)計(jì)工藝極為復(fù)雜。

4、鍵合線

芯片以及陶瓷覆銅板上銅層互連一般采用鍵合線實(shí)現(xiàn)，常用的鍵合線有鋁線和銅線兩種。

5、散熱器

IGBT模塊上的熱傳導(dǎo)散熱器上，由散熱器傳導(dǎo)到空氣中。

6、導(dǎo)熱膠

為了減少接觸熱阻，在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱膠。

7、焊料層

將芯片焊接到陶瓷覆銅板上，通過鍵合線將芯片之間進(jìn)行電氣連接，形成子單元，再將子單元焊接到底板上。

三、IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域

IGBT被稱為電子電力行業(yè)的“CPU”，廣泛應(yīng)用于電機(jī)節(jié)能、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航 天、家用電器、汽車電子、新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。

1、工業(yè)控制領(lǐng)域

工業(yè)控制領(lǐng)域是功率半導(dǎo)體最大的市場，IGBT 在工業(yè)控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用場景包括變頻器、逆變焊機(jī)、電磁感應(yīng)加熱、工業(yè)電源等。

2、新能源汽車行業(yè)

IGBT 模塊在新能源汽車領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是新能源汽車電機(jī)控制器、車載空調(diào)、充電樁等設(shè)備的核心元器件。IGBT 約占新能源汽車電控系統(tǒng)成本的 37%。在新能源汽車領(lǐng)域，IGBT主要應(yīng)用于以下三個方面：

3、新能源發(fā)電行業(yè)

新能源發(fā)電主要以光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為代表，IGBT 是光伏逆變器和風(fēng)力發(fā)電逆變器的核心器件。

4、變頻白色家電

變頻白色家電具備高效節(jié)能、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制等多樣化功能特點(diǎn)，而 IGBT 是白色家電實(shí)現(xiàn)變頻功能的核心元器件。

四、IGBT的市場規(guī)模

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，新能源汽車以及光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電行業(yè)得到極大發(fā)展，以及變頻白色家電的普及，IGBT的市場熱度持續(xù)升溫。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，全球IGBT市場規(guī)模，2020年54億美元，預(yù)計(jì)2026將增長到84億，年復(fù)合增長率達(dá)到7.5%。