陶瓷基板为电力电子心脏——IGBT保驾护航

陶瓷基板为电力电子心脏——IGBT保驾护航

2021-10-08 15:48:57 0

随着风能、太阳能、热泵、新能源装备、电动汽车、轨道交通等领域随着发展,已逐步进入万亿级的市场规模。这些领域都将用到绝缘栅双极晶体管(IGBT)。下游市场的快速发展将对IGBT模块封装的关键材料---陶瓷覆铜板形成了巨大需求。在这样的下游市场利好下,开发高性能的陶瓷覆铜基板以适应不同领域的需求,特别是需要加快高可靠氮化铝基板、氮化硅基板及其覆铜板的研发及产业化进度。


一、陶瓷基板是IGBT的关键基础材料

高压大功率IGBT模块所产生的热量主要是通过陶瓷覆铜板传导到外壳而散发出去的,因此陶瓷覆铜板是电力电子领域功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。


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陶瓷基板既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性,又具有无氧铜金属的高导电性和优异的焊接性能,并能像PCB线路板一样刻蚀出各种图形。


陶瓷覆铜板集合了功率电子封装材料所具有的各种优点:

1)陶瓷部分具有优良的导热耐压特性;
2)铜导体部分具有极高的载流能力;
3)金属和陶瓷间具有较高的附着强度和可靠性;
4)便于刻蚀图形,形成电路基板;
5)焊接性能优良,适用于铝丝键合。

二、三大材料成主流

陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆铜板性能的决定因素。目前,已应用作为陶瓷覆铜板基板材料共有三种陶瓷,分别是氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板。


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氧化铝基板 图源自三环官网



氧化铝陶瓷基板是最常用的陶瓷基板,由于它具有好的绝缘性、好的化学稳定性、好的力学性能和低的价格,但由于氧化铝陶瓷基片相对低的热导率、与硅的热膨胀系数匹配不好。作为高功率模块封装材料,氧化铝材料的应用前景不容乐观。

氧化铝基板厂家有:京瓷、丸和、三环集团(300408)、郑州中瓷、珠海粤科京华、浙江新纳、江西创科、珠海思加、六方钰成等。


氮化铝覆铜板在热特性方面具有非常高的热导率,散热快;在应力方面,热膨胀系数与硅接近,整个模块内部应力较低,提高了高压IGBT模块的可靠性。这些优异的性能都使得氮化铝覆铜板成为高压IGBT模块封装的首选。

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氮化铝基板  摄于艾森达展台


氮化铝基板厂家有:丸和、京瓷、赛郎泰克、福建华清、海古德、三环集团(300408)、中瓷电子(003031)、

艾森达、国瓷、臻璟、江西创科等。


氮化硅陶瓷覆铜板因其可以焊接更厚的无氧铜以及更高的可靠性在未来电动汽车用高可靠功率模块中应用广泛。根据材料及工艺特性展示了陶瓷覆铜板的技术发展方向,在大功率功率模块领域氮化铝陶瓷覆铜板为主要发展方向,在高可靠功率模块领域氮化硅陶瓷覆铜板为主要发展方向。

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氮化硅基板 图源自网络


氮化硅基板厂家有:东芝、京瓷、丸和、StellarIndustries Corp、中材高新、正天、凯乐士、等。

氮化铝/氮化硅陶瓷
基板抛光解决方案

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三、DBC、AMB成IGBT主要覆铜板选择


当前IGBT模块中,使用到的陶瓷覆铜板主要是DBC、DPC基板。
直接覆铜工艺(DBC)

DBC基本原理是利用了铜与氧在烧结时形成的铜氧共晶液相,润湿相互接触的两个材料表面,即铜箔表面和陶瓷表面,同时还与氧化铝反应生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等复合氧化物,充当共晶钎焊用的焊料,实现铜箔与陶瓷的牢固结合。

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DBC基板具有良好的导热性,热导率为20-260W/mK,IGBT模块在运行过程中,在芯片表面产生大量的热量,这些热量可有效的通过DBC基板传输到模块散热底板上,再通过底板上的导热硅脂传导于散热器上,完成模块的整体散热流动。同时,DBC基板膨胀系数同硅(芯片主要材质为硅)相近(7.1ppm/K),不会造成对芯片的应力损伤,DBC基板抗剥力>20N/mm2,具有优秀的机械性能,耐腐蚀,不易发生形变,可在较宽温度范围内使用。


DBC基板厂家有:罗杰斯、贺利氏、申和热磁、DOWA、比亚迪、淄博银河、南京中江、合肥圣达等。

活性金属焊接工艺(AMB)

活性焊铜工艺是DBC工艺的进一步发展,先将陶瓷表面印刷活性金属焊料而后与无氧铜装夹后在真空钎焊炉中高温焊接,覆接完毕基板采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺在表面制作电路,最后表面镀覆制备出性能可靠的产品。


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图来源于网络

AMB基板是靠陶瓷与活性金属焊膏在高温下进行化学反应来实现结合,因此其结合强度更高,可靠性更好。

AMB基板厂家有:罗杰斯、DOWA、三菱、贺利氏、申和热磁、浙江德汇、DENKA等。

四、IGBT模块用陶瓷覆铜基板发展方向

以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料的出现,为器件性能的进一步大幅度提高提供了可能。针对SiC基/GaN基三代半导体器件高频、高温、大功率的应用需求,为实现大功率电力电子器件高密度三维模块化封装,需要开发可靠性更高、耐温性能更好、载流能力更强的陶瓷覆铜基板。

选材第一要素,功能要达标。无论是氧化铝、氮化铝还是氮化硅等陶瓷基板,均需要根据IGBT需求规格进行选材,并采用合适的覆铜工作制作成板。


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