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)機器等領(lǐng)域。隨著我國高鐵、航空航天、混合動力汽車的飛速發(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起著機械互連和電氣導(dǎo)通的作用,是高可靠性封裝中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。
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、力學強度優(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,同時介電常數(shù)要低,避免產(chǎn)生雜散電感,減少能源損耗。為實現(xiàn)機械固定,基板材料還需要具有一定的強度。由于陶瓷材料具有強度高、絕緣性好、導(dǎo)熱和耐熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)小、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點,非常適合作為IGBT 封裝用基板材料。
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,又有較高的機械強度,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、機械強度、成本等進行綜合考慮。
Al2O3 陶瓷由于價格低廉,應(yīng)用最廣泛,但是其熱導(dǎo)率較低、熱膨脹系數(shù)高,芯片工作時產(chǎn)生的熱量沒法及時散出,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。
AlN 陶瓷熱導(dǎo)率高,在室溫下,其理論熱導(dǎo)率可以達到 319 W/(m·K),撓曲強度高,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。
商業(yè)常見的 Si3N4 陶瓷的熱導(dǎo)率達到 90 W/(m·K),相對于 AlN 的熱導(dǎo)率低,但遠大于 Al2O3 的熱導(dǎo)率,同時機械強度高,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,會在界面處產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力,長時間累積會導(dǎo)致金屬層剝落,陶瓷開裂,使得 IGBT 模塊失效。
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。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。
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。
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)點是焊接工藝簡單,結(jié)合強度高;缺點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,使得整個基板的成本提高。
AMB 和 DBC、DBA 有著各自的優(yōu)缺點,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。