鋁碳化硅基板為何在IGBT底板應用備受歡迎
IGBT模塊中的底板發(fā)揮著形成導熱通道、保證導熱性能、增強模塊機械性能的作用。底板材料一般用銅或者鋁基碳化硅(AlSiC),鋁碳化硅基板哪些優(yōu)勢適應了IGBT底板的要求呢?
一,什么是鋁碳化硅基板(AlSiC),有什么性能特點
鋁碳化硅(AlSiC)是鋁基碳化硅顆粒增強復合材料的簡稱,又稱碳化硅鋁或鋁硅碳。鋁碳化硅早期應用于美軍機雷達芯片襯底,用于替代鎢銅;替代后散熱效果優(yōu)異,并且使雷達整體減重10公斤,這使AlSiC材料得到了重視。
二,鋁碳化硅基板有以下核心優(yōu)勢
1) AlSiC具有高導熱率(170~200W/mK),是一般封裝材料的十倍,可將芯片產(chǎn)生的熱量及時散發(fā),提高整個元器件的可靠性和穩(wěn)定性。
2)AlSiC是復合材料,其熱膨脹系數(shù)等性能可通過改變其組成而加以調(diào)整,可調(diào)的熱膨脹系數(shù)(6.5~9.5×10-6/K),AlSiC的熱膨脹系數(shù)與半導體芯片和陶瓷基片實現(xiàn)良好的匹配,能夠防止疲勞失效的產(chǎn)生,甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC底板上。
3) AlSiC很輕,只有銅材的1/3,和鋁差不多,但抗彎強度卻和鋼材一樣好。這使其在抗震性能方面表現(xiàn)優(yōu)秀,超過銅底板。
4) AlSiC的比剛度是所有電子材料中最高的,是鋁的3倍,是W-Cu和Kovar的5倍,是銅的25倍,另外AlSiC的抗震性比陶瓷好,因此是惡劣環(huán)境(震動較大,如航天、汽車等領域)下的首選材料。
5) AlSiC可以大批量加工,但加工的工藝取決于碳化硅的含量,可以用電火花、金剛石、激光等加工。
6) AlSiC可以鍍鎳、金、錫等,表面也可以進行陽極氧化處理。
7) 金屬化的陶瓷基片可以釬焊到鍍好的AlSiC底板上,用粘結劑、樹脂可以將印制電路板芯與AlSiC粘合。
8) AlSiC本身具有較好的氣密性。但是,與金屬或陶瓷電子封裝后的氣密性取決于合適的鍍層和焊接。
9) AlSiC的物理性能及力學性能都是各向同性的。
三,鋁碳化硅基板的高熱率和更加匹配的熱膨脹系數(shù)是應用到IGBT底板的最核心的優(yōu)勢。
IGBT底板與散熱器直接相連,最主要的作用是散熱。對于底板材質(zhì),需要考慮熱導率以及線膨脹系數(shù)(與芯片、陶瓷基板之間熱膨脹系數(shù)的匹配)。
AlSiC充分結合了碳化硅陶瓷和金屬鋁的不同優(yōu)勢,具有高導熱性、與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)、密度小、重量輕,以及高硬度和高抗彎強度,因此,在高功率電子封裝方面,AlSiC材料以其獨特的優(yōu)勢成為不可替代的材料。鋁碳化硅基板是所以陶瓷基材里面散熱效果最好的,而且熱膨脹系數(shù)低,僅次于氮化硅基板。如圖所示:
如圖可以看出銅具有良好的導熱能力,目前常用銅底板來實現(xiàn)快速散熱,但銅的熱膨脹系數(shù)接近IGBT芯片的三倍,如果長期在震動環(huán)境下使用,如軌道機車、電動汽車、飛機等,其可靠性會大幅下降。而 AlSiC 熱導率雖不如銅,但熱膨脹系數(shù)更接近芯片及陶瓷基板,能夠有效改善模塊的熱循環(huán)能力。更多鋁碳化硅覆銅基板相關問題可以咨詢金瑞欣特種電路。
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