【研究分享】IGBT模块应用氮化铝陶瓷基板的研究-上海电力电子展

上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2020年7月1-3日在上海世博展览馆隆重举行，邀您关注今日上海电力电子展新资讯：

       绝缘栅双极晶体管(IGBT)是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，大规模应用于电动汽车、电力机车、智能电网等领域。氮化铝陶瓷覆铜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，又具有无氧铜的高导电性和优异的焊接性能，是IGBT模块封装的关键基础材料。

       引言

       由于高压大功率IGBT模块技术门槛较高，难度较大，特别是要求封装材料散热性能更好、可靠性更高、载流量更大。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。它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。

       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。氧化铝基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。

       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。

       直接覆铜工艺(DBC)制备氮化铝陶瓷覆铜板的研究

       所谓的DBC技术，是指在在含氧的氮气中以1063℃左右的高温加热，氧化铝或氮化铝陶瓷表面直接焊接上一层铜箔。但由于氮化铝是一种非氧化物陶瓷，敷接铜箔的关键是使其表面形成氧化物过渡层，然后通过上述过渡层与Cu箔敷合实现AlN与Cu箔的敷合。

       陶瓷与铜界面结合紧密，而且结构致密。陶瓷晶粒大约为1-5μm，与铜之间存在8-10微米的过渡层。该过渡层结构致密，晶粒约为3-5μm，但是晶粒间存在不连贯的微裂纹。陶瓷表面致密，没有气孔存在。表面颗粒凹凸不平，可能是拉开时裂纹沿晶界扩展，部分颗粒在铜上部分颗粒在陶瓷上导致。

       活性金属焊接工艺(AMB)制备氮化铝陶瓷覆铜板研究

       活性焊铜工艺是DBC工艺技术的进一步发展，它是利用钎料中含有的少量活性元素与陶瓷反应生成能被液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属接合的一种方法。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。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。

       历届PCIM Asia中也有不少涉及陶瓷基板方面的优秀展商，譬如合肥圣达电子科技实业有限公司，公司产品主要涵盖金属/陶瓷外壳、陶瓷封装、集成封装、封装材料、电子浆料五大门类，拥有先进的氮化铝陶瓷材料、金属封装外壳、电子浆料等研发与生产线，产品广泛应用于航天、航空、船舶、地面等电子系统及设备中，以及光通讯、电力电子、新材料等民用行业。同时还有上海贺利氏工业技术材料有限公司，他们的核心业务涵盖复合陶瓷基板和金属条带、键合丝、组装材料以及厚膜浆料。

上海贺利氏

合肥圣达

       另外，CeramTec（苏州赛琅泰克高技术陶瓷有限公司）在PCIM Asia 2019中向我们展示了陶瓷基板系列散热系统解决方案。CeramTec的销售总监杨丰先生表示：“我们公司是第二次参展，客户大多在大功率系统散热方面有新的需求，和我们的产品相吻合。PCIM是一个专业性、针对性很强的展会，主要在大功率器件以及电力电子方面和我们的专业很相关。”

文章来源：福步外贸论坛

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