陶瓷基板在IGBT功率器件中的应用现状

• IGBT功率器件概述

• 绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种新型复合功率器件，它连系了金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和双极晶体管的优点，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速率快、事情频率高、饱和压降低、清静事情区大和可耐高电压和大电流等一系列优势。因此，IGBT被大规模应用于电动汽车、电力机车里的电机驱动以及并网手艺、储能电站、工业领域的高压大电流场合的交直流电转换和变频控制等领域，是电力电子领域中最主要的大功率器件，堪称绿色经济的焦点器件。

• 在这些应用场景中，IGBT面临着高功率密度所带来的大宗发热问题，而热量若是不可实时散出，会导致性能下降和可靠性问题，芯片散热不良将导致IGBT？槭，据报道约70%的IGBT？槭Ч橐蛴谏⑷炔涣家鸬募舷甙离或熔断。



• 陶瓷基板的应用情形

• 种类和工艺：陶瓷基板在IGBT中能起到较好的机械支持、电路互联、电气绝缘和散热通路的功效。从陶瓷基片质料上看，海内常用陶瓷基板材质主要为Al2O3、AlN和Si3N4。从工艺实现陶瓷基板覆铜后再刻蚀的差别来看，目今较普遍的陶瓷散热基板分为高温共烧陶瓷（HTCC）、低温共烧陶瓷（LTCC）、直接覆铜（DBC）、直接电镀铜（DPC）、活性金属钎焊（AMB）等。其中，氧化铝（Al2O3）最常用，由于在机械、热、电性能上相关于大大都其他氧化物陶瓷，其强度及化学稳固性高，且质料泉源富厚，适用于种种各样的手艺制造以及差别的形状；氮化铝（AlN）导热率较高，其热导率是Al2O3的7 - 10倍，绝缘电阻、绝缘耐压更高，介电常数更低，热膨胀系数（CTE）与硅片近似匹配；氮化硅（Si3N4）可靠性优异，热膨胀系数（2.4ppm/K）较小，与硅芯片（4ppm/K）靠近，具有较高的热导率、抗弯强度大，机械性能具有优异的耐高温性能、散热特征和超高的功率密度，载流能力较高，并且传热性也很是好。而从封装结构和应用要求分类，陶瓷基板可分为平面陶瓷基板和三维陶瓷基板两大类。

• 工艺对应的基板类型应用：Al2O3陶瓷基板主要接纳DBC工艺，AlN陶瓷基板主要接纳DBC和AMB工艺，Si3N4陶瓷基板更多接纳AMB工艺。在目今，DBC工艺在海内的IGBT？橹杏写笞谟τ，但随着事情电压、性能要求的一直提升，AMB工艺手艺的陶瓷基板由于可靠性更优等优点（如AMB基板制备手艺是DBC基板工艺的刷新，通过选用活性焊料可降低键合温度（低于800°C），进而降低陶瓷基板内部热应力），逐渐在更多领域获得应用，现在该手艺不但在汽车领域，还在航天、轨道交通、工业电网领域普遍应用，并且AMB氮化硅基板是第三代SiC半导体功率器件首选，由于它具有较高的热导率(90W/mK)，厚铜层(达800μm)还具有较高热容量以及传热性，别的，氮化硅陶瓷基板的热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体靠近，使其能够与SiC晶体质料匹配更稳固。

陶瓷基板对IGBT功率器件性能的影响

• 散热性能的提升

• 改善热传导：在IGBT事情历程中，由于其高功率密度，会爆发大宗热量。通俗的基板（例如玻璃纤维材质的通俗PCB）在散热能力上保存很阵势限性。陶瓷基板有着优异的散热性能，如氮化铝陶瓷基板，其导热率较高，热导率是Al2O3的7 - 10倍，能够高效地将IGBT芯片爆发的热量传导出去。以DBCAl2o3基板为例，其导热系数是古板基材的五倍，这使得它可以有用散热IGBT爆发的热量，从而降低其事情温度，使IGBT处于更适合的事情温度区间，阻止因高温所导致的降低功率、性能衰退甚至失效等问题。

• 避免局部过热：陶瓷基板优异的散热能力可以确保整个IGBT芯片的热量散发匀称，阻止泛起局部过热征象。例如在高功率的IGBT？橹，若是热量散发不匀称，局部过热的区域容易使键合线等部件爆发损坏，进而影响整个？榈恼Ｔ诵。陶瓷基板的高导热性使得芯片各个部分的热量都能快速传导出去，从而维持整个IGBT？槲露鹊囊恢滦，提高？榈奈裙绦院涂煽啃。

• 电气性能的优化

• 电绝缘性能包管：陶瓷基板具有优异的电气绝缘性，这在IGBT功率器件中是很是主要的。由于在电路运行历程中，需要将差别电位的部件举行隔离。若是基板的绝缘性能欠好，容易引发短路故障，可能会对整个电路系统造成不可挽回的损害。差别类型的陶瓷基板质料都有着较强的绝缘能力，例如氧化铝陶瓷基板不但导热性稳固，还具备优异的绝缘性，在种种功率要求的IGBT器件中，都能够知足电气绝缘需求，对包管整个IGBT功率器件的正常运行有着主要意义，阻止因电气绝缘失效导致的装备损坏或危险状态爆发。

• 减小电气滋扰：在重大的电路情形下，IGBT功率器件容易受到外界的电磁滋扰或者自身爆发的电气滋扰影响其他电子元件。陶瓷基板能够为电路提供一个稳固的电气情形，最大限度地镌汰电气滋扰。DBCDPC基板优异的电绝缘性能有助于最大限度地镌汰电气滋扰并提高系统的整体清静性，在大功率应用中纵然是很小的电气滋扰也可能造成重大损坏，以是这种电气抗滋扰能力关于IGBT功率器件的整体性能和可靠性有着重大的提升作用。

• 机械性能的孝顺

• 机械强度支持：陶瓷基板在结构上能够为IGBT芯片提供足够的机械支持。在一些卑劣的事情情形（如震惊较大的汽车、航天等领域）或者恒久使用中，IGBT芯片需要稳固的支持才华坚持正常的性能。纵然在极端温度下，陶瓷基板也能坚持其机械强度，知足芯片的支持需求，从而确保IGBT功率器件在差别情形下都能够稳固地事情，不会由于机械结构的松动、变形等征象而泛起故障，有助于提高产品的耐久性和可靠性。

• 顺应热膨胀：在IGBT功率器件事情历程中，由于发热等因素会引起温度的转变，进而导致装置内差别质料热膨胀纷歧致的问题。与IGBT芯片热膨胀系数相近的陶瓷基板，如氮化铝陶瓷基板，其热膨胀系数与硅靠近，整个？槟诓坑α系。这种热膨胀系数的匹配有助于镌汰因温度转变爆发的内部应力，阻止因应力过大泛起诸如芯片和基板间键合线断裂或者基板翘曲变形等故障，提高IGBT功率器件的使用寿命和可靠性。

IGBT功率器件中陶瓷基板的选择标准

• 导热性能

• 高热导率质料优先：IGBT功率器件运行时发热量大，以是陶瓷基板的导热率是主要的选择依据。例如氮化铝陶瓷基板的热导率是氧化铝陶瓷基板的7 - 10倍，在对散热需求极高的高功率IGBT？橹芯弑父蟮挠攀。在氮化铝细密陶瓷基板下，热量能更快地从芯片传导出去，能有用地避免芯片因过热导致性能下降或失效的情形爆发。并且，关于大功率和高电流的IGBT应用场景，如在电动汽车逆变器中使用的IGBT？，通过快速散热能力维持较低的事情温度，从而确保整个系统的高效稳固运行，镌汰由于过热引起的故障危害，因此高热导率质料制成的陶瓷基板更为适合。

• 匹配差别封装散热需求：差别的IGBT封装设计在散热要求上保存差别。关于一些紧凑封装且散热面积有限的IGBT功率器件，需要陶瓷基板具有越发卓越的导热能力，以填补散热空间缺乏的问题。例如在小型化的工业变频器中的IGBT？，选用导热性能好的陶瓷基板能够在有限的空间内快速散出热量，阻止热量积累影响性能。

• 电气性能要求

• 绝缘性能优异：陶瓷基板必需要有优异的电绝缘性，以实现电路中差别部分的电气隔离，避免短路。在IGBT功率器件这样高压大电流的情形下运作，任何电气绝缘上的薄弱环节都可能导致灾难性的效果。氧化铝陶瓷基板具备好的绝缘性，纵然当IGBT？樵谑Х牡缪瓜略诵惺，也能够确保电路组件之间不会有泄电或者击穿征象，包管系统的清静性。

• 适合的介电常数和电阻率等特征：除了绝缘性，陶瓷基板的介电常数、电阻率等电气特征也需要适配IGBT功率器件的事情要求。若是介电常数不对适，可能影响电路的信号传输和电场漫衍；电阻率缺乏会导致较大的泄电电流等问题。例如在超高频的IGBT应用场景中，需要陶瓷基板具备合适的介电常数，以包管信号的准确传输，提高整个功率组件的事情性能。

• 与芯片的热膨胀匹配性

• 减小内部应力：IGBT功率器件事情时温度会爆发显著转变，陶瓷基板与芯片热膨胀系数的匹配水平直接影响着内部应力的巨细。若是热膨胀系数差别过大，在温度转变时，芯片与基板之间就会爆发较大的内部应力，容易导致键合线断裂或者芯片损坏。例如，氮化铝陶瓷基板的热膨胀系数与硅片近似匹配，在封装IGBT芯片时，能够有用降低内部应力，提高整个？榈目煽啃院褪褂檬倜，在需要长时间稳固运行的IGBT功率器件（如航天航空电源系统中的IGBT？椋┲杏凶胖饕庖。

• 顺应热循环要求：在一些IGBT功率器件的应用场景中，可能会频仍地履历温度快速转变的热循环历程，如汽车的启动 - 阻止循环时代，IGBT？榈奈露然嵫杆僮。此时，陶瓷基板与芯片在热膨胀方面的优异匹配，能够使芯片和基板在热循环历程中更好地同步膨胀和缩短，阻止由于两者变形纷歧致而爆发的损坏，确保IGBT功率器件在重复的热循环下稳固运行。

差别类型陶瓷基板在IGBT功率器件中的较量

• 氧化铝（Al2O3）陶瓷基板

• 导热率相对较低：相关于氮化铝和氮化硅陶瓷基板来说，导热率不高，导热系数通常在25w - 30w之间。在功率要求较高、发热量大的IGBT功率器件（如高功率的电动汽车驱动？橹械腎GBT）中，热量不可快速且高效地散去，可能会导致IGBT芯片温度过高，进而使整个？榈男阅芟陆，甚至可能加速芯片的老化历程或者引发故障。

• 热膨胀系数与硅不匹配：该陶瓷基板的热膨胀系数与硅的热膨胀系数匹配不敷理想。在IGBT这样的含硅芯片的功率器件中，当温度爆发转变时，由于热膨胀系数的差别，会爆发较大的内部应力，使得芯片 - 基板界面或者键合部分容易受到影响，恒久运行历程中，泛起键合线剥离或者其他毗连问题的概率也会增添。

• 本钱较低且质料易得：是最常用的陶瓷基板材质，由于其产量较大，相对其他陶瓷质料，具有本钱优势，这使得在一些对本钱较为敏感且功率需求不是特殊高的IGBT功率器件应用中获得普遍使用。例如一些在小型工业电机控制中的IGBT？，对本钱有一定要求，氧化铝陶瓷基板就较量合适。它的质料泉源富厚，适用于种种各样的手艺制造以及差别的形状，可以知足多种差别的加工需求和IGBT？榈姆庾敖峁挂。

• 化学稳固性较好：具有一定的抗侵蚀能力，在一样平常的事情情形下不易与外界物质爆发化学反应。在一些较为通俗的工业情形或者相对温顺的储能电站中的IGBT功率器件中，氧化铝陶瓷基板能够坚持稳固的性能，镌汰因化学侵蚀导致的性能下降或者损坏危害。

• 机械性能较为稳固：在机械强度方面体现较好，能够对IGBT芯片提供基本的机械支持，在正常的事情震惊或者外部机械应力影响下，坚持自身结构的完整性，确保IGBT芯片的稳固事情。不过在一些对机械强度要求更高的极端情形下，其性能较氮化硅等陶瓷基板可能会有一定差别。

• 优点

• 弱点

• 氮化铝（AlN）陶瓷基板

• 成内情对较高：相比于氧化铝陶瓷基板，由于氮化铝质料的制备、加工工艺的庞洪水平以是导致成内情对较高。这使得在一些需要在本钱与性能之间举行权衡的大规模量产的低功率IGBT应用场景下（如一些小型民用电器中的低功率IGBT？椋，氮化铝陶瓷基板的应用可能会受到一定限制。

• 高导热率：其导热率是氧化铝陶瓷基板的7 - 10倍，具有很是高的热导率（170W以上），可以迅速将IGBT功率器件爆发的热量传导出去。在高功率的IGBT应用场景（如需处置惩罚高电压大电流的电动汽车IGBT逆变器等）下，这种高效的散热能力可以有用阻止IGBT芯片因过热而降低性能或爆发故障，大大提高了IGBT功率器件的事情效率和使用寿命。

• 电气性能优异：氮化铝陶瓷基板有着较高的绝缘电阻、绝缘耐压，同时介电常数更低。这使得在处置惩罚高电压和大电流的IGBT功率器件中，能够更好地实现电气绝缘和信号传输，镌汰泄电和电气滋扰征象的爆发，包管电路的完整性和稳固性。

• 与硅片匹配的热膨胀系数：其热膨胀系数与硅片近似匹配，当IGBT功率器件在温度转变的事情情形下运行时，芯片与氮化铝陶瓷基板之间的内部应力能够有用降低，有利于维持芯片与基板之间的优异毗连，；ぜ舷咭约靶酒约，提高整个IGBT功率器件的可靠性，特殊是在对可靠性要求较高的工业控制系统中的IGBT功率器件。

• 综合性能较好：从载流量来看，较适合在高功率、高电流产品的IGBT应用上。且具有无氧铜的高导电性和优异的焊接性能，是IGBT？榉庾暗囊≈柿，提高了高压IGBT？榈目煽啃。这些综合特征令氮化铝陶瓷基板成为高压IGBT？榉庾暗氖籽≈柿现，适合众多高压和高功率密度的IGBT功率器件封装需求。

• 优点

• 弱点

• 氮化硅（Si3N4）陶瓷基板

• 可能的本钱劣势：从本钱方面来看，若是没有大规模的生产和手艺工艺的进一步优化，相比于氧化铝陶瓷基板，其本钱可能也相对较高。这在一定水平上可能限制其在一些对本钱要求很严酷的中低功率IGBT功率器件中的应用。同时其金属化价钱是白板基板价钱的3倍以上，较高的本钱也会成为其普遍应用的一个挑战，特殊是关于产量较大但利润较低的一些基础工业应用中的IGBT功率器件。

• 卓越的可靠性：具有高的机械强度，包括抗弯强度大，能遭受一定的外力攻击，在机械性能方面还具有优异的耐高温性能、散热特征和超高的功率密度等优势。在一些高温情形或者对可靠性要求极高的IGBT功率器件（如航天航空中的大功率IGBT转换器等）应用场景下体现精彩，能够坚持稳固的性能，确保装备的可靠运行。

• 较高的载流能力和优异传热性：有着较高的载流能力，可以知足大功率IGBT功率器件大电撒播输的需求；优异的传热性有助于芯片热量的快速传导。加上热膨胀系数（2.4ppm/K）较小并且与硅芯片（4ppm/K）靠近，在芯片 - 基板连系中，可以镌汰因热膨胀系数差别爆发的内部应力，阻止诸如键合线开裂等故障的泛起，从而提高IGBT功率器件的稳固性和寿命，这在需要恒久稳固运行的IGBT功率器件应用，如智能电网中的大型IGBT功率转换装置方面有着主要意义。

• 匹配第三代半导体质料：氮化硅基板很适合与第三代半导体质料配合使用，例如其热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体靠近，使得它作为第三代SiC半导体功率器件的高导热基板质料时能够与SiC晶体质料匹配更稳固，是第三代SiC半导体功率器件高导热基板质料的首选。在一些前沿的高功率密度、高电压的IGBT功率器件（如电动汽车最新研发的高功率驱动？椋┲芯哂胁豢商婊坏挠攀。

• 优点

• 弱点

陶瓷基板在IGBT功率器件应用的未来生长趋势

• 高性能陶瓷基板的需求增添

• 随着IGBT应用拓展对基板要求提高：随着IGBT功率器件在更多领域（如电动汽车大功率电机控制、高速列车的牵引系统、超大型数据中心的电力治理等）的大规模应用以及应用场景越来越向高功率、高电压、高可靠性偏向生长，对陶瓷基板的性能要求也会一直提高。例如在电动汽车未来向更高续航里程、更强动力性能生长的历程中，需要IGBT功率器件具备更高的功率处置惩罚能力和散热性能，那么陶瓷基板也需要响应地拥有更高的导热率、更好的热膨胀系数匹配性等优良性能来知足要求，这会促使高性能陶瓷基板的需求一连增添。

• 工业链的协同生长推动高性能基板需求：从工业链来看，IGBT功率器件制造商、电子装备制造商等上游企业的生长会一直推动陶瓷基板向高性能偏向生长。由于他们在对终端产品一直提升性能的同时，也对作为主要组件的陶瓷基板提出更高要求，这将发动整个陶瓷基板工业链向高性能陶瓷基板的研发和生产偏向倾斜，使市场对高性能陶瓷基板的需求一直增大。

• 工艺手艺的一直立异

• 刷新现有的陶瓷基板工艺：现在较为常见的陶瓷散热基板工艺（HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB等）会一连刷新。好比DBC工艺可能会进一步优化铜箔和陶瓷基片的键合方法，提高键合强度，增强产品在高温等卑劣条件下的稳固性；而AMB工艺可能会在活性金属焊料的因素优化、降低制备本钱等方面取得希望。以AMB工艺制备的Si3N4陶瓷基板为例，现在只管其综合性能优异，但工艺重大导致本钱较高，若是能在工艺上立异，实现工艺简化和本钱降低，就更容易在更多IGBT功率器件领域中获得普遍应用。

• 探索新的陶瓷基板制备工艺：科研职员也会探索新型的陶瓷基板制备工艺。例如开发新的烧结手艺，以获得越发致密、导热性能更好的陶瓷基片；研究新型的陶瓷 - 金属复合手艺，使陶瓷基板的金属层与陶瓷层之间的连系越发细密、导电性更好。这些新的工艺手艺一旦成熟，将会突破现有的手艺瓶颈，推动陶瓷基板在IGBT功率器件应用中的生长进入新阶段。

• 新型陶瓷质料的开发与应用

• 知足特定需求的陶瓷质料研发：为了知足IGBT功率器件在特殊情形（如高温、强电磁辐射等）下的使用以及特定功效（如超高速信号传输等）需求，研究职员会研发新型的陶瓷质料。例如开发导热率更高、热膨胀系数越发匹配IGBT芯片且具备优异抗电磁滋扰能力的陶瓷质料，这类质料将在新一代的高性能IGBT功率器件封装中施展要害作用。

• 多功效陶瓷质料的探索：除了基础的散热、绝缘等功效，探索具备更多功效的陶瓷质料也是生长趋势之一。例如，开发既具有优异散热性又具有高绝缘性同时还能实现一定自我修复功效（如在一定水平的细小裂纹爆发时能够自动愈合还原性能）的陶瓷质料，应用在对清静性和可靠性要求极高的IGBT功率器件（如航空航天电源治理系统中的IGBT？椋┲，这种多功效陶瓷质料的应用有望提升IGBT功率器件的整体性能并降低故障危害。

IGBT芯片封装洗濯剂选择：

水基洗濯的工艺和装备设置选择对洗濯细密器件尤其主要，一旦选定，就会作为一个恒久的使用和运行方法。水基洗濯剂必需知足洗濯、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到情形中的湿气，通电后爆发电化学迁徙，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破损了电路板功效。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，尚有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、灰尘等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、爆发气孔、短路等等多种不良征象。

这么多污染物，究竟哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种因素，焊后必定保存热改性天生物，这些物质在所有污染物中的占有主导，从产品失效情形来而言，焊后剩余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁徙使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必需举行严酷的洗濯，才华包管电路板的质量。

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