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        【原創(chuàng)】博敏電子:AMB陶瓷基板能更好地解決IGBT散熱問題


        來源:中國粉體網(wǎng)   山川

        [導(dǎo)讀]  近日,博敏電子在互動平臺表示,公司IGBT陶瓷基板屬于新的AMB工藝技術(shù),對比DBC,AMB更具導(dǎo)熱性、耐熱性、耐沖擊。

        中國粉體網(wǎng)訊  近日,博敏電子在互動平臺表示,公司IGBT陶瓷基板屬于新的AMB工藝技術(shù),對比DBC,AMB更具導(dǎo)熱性、耐熱性、耐沖擊。公司配合車廠進(jìn)行國產(chǎn)化替代,該陶瓷基板也逐步應(yīng)用于新能源汽車的IGBT模塊上。


        散熱和可靠性是IGBT必須解決的關(guān)鍵問題


        絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是在金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合功率器件,具有輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區(qū)大和可耐高電壓和大電流等一系列優(yōu)點(diǎn),大規(guī)模應(yīng)用于電動汽車、電力機(jī)車?yán)锏碾姍C(jī)驅(qū)動以及并網(wǎng)技術(shù)、儲能電站、工業(yè)領(lǐng)域的高壓大電流場合的交直流電轉(zhuǎn)換和變頻控制等領(lǐng)域,是電力電子領(lǐng)域中最重要的大功率器件,是綠色經(jīng)濟(jì)的核“芯”。


        但由于IGBT技術(shù)門檻較高,國內(nèi)芯片和封裝技術(shù)一直沒有獲得很好的突破,導(dǎo)致國內(nèi)IGBT市場一直被歐美日等企業(yè)所壟斷。當(dāng)今國際上IGBT模塊技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第五代,除了芯片技術(shù)外,封裝技術(shù)也非常關(guān)鍵,新的封裝材料和新的封裝技術(shù)層出不窮。對于軌道交通、電動汽車用的高壓、大電流、高功率IGBT模塊來說,散熱和可靠性是其必須解決的關(guān)鍵問題。


        DBC陶瓷基板


        直接鍵合銅(DBC)陶瓷基板是在1000℃以上的高溫條件下,在含氧的氮?dú)庵屑訜,使銅箔和陶瓷基板通過共晶鍵合的方式牢固結(jié)合在一起,其鍵合強(qiáng)度高且具有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。



        2018年,王彩霞等人在預(yù)氧化溫度為600℃、時間1h、氧分壓為5×10-4MPa的條件下,在銅箔表面獲得了致密且均勻的Cu2O薄膜,該薄膜與基體銅緊密結(jié)合,有效提高了DBC基板的結(jié)合性能。



        DBC陶瓷基板制備工藝流程


        DBC具有導(dǎo)熱性好、絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于IGBT、LD和CPV封裝。DBC缺點(diǎn)在于,其利用了高溫下Cu與Al2O3間的共晶反應(yīng),對設(shè)備和工藝控制要求較高,基板成本較高;由于Al2O3與Cu層間容易產(chǎn)生微氣孔,降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性;由于銅箔在高溫下容易翹曲變形,因此DBC表面銅箔厚度一般大于100m;同時由于采用化學(xué)腐蝕工藝,DBC基板圖形的最小線寬一般大于100m。


        AMB陶瓷基板


        活性金屬焊接(AMB)陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接。活性焊料通過在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備,由于稀土元素具有高活性,可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性,使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實(shí)現(xiàn)焊接。



        AMB陶瓷基板產(chǎn)品及其(b)截面圖


        AMB基板制備技術(shù)是DBC基板工藝的改進(jìn)(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合,而AMB基板采用活性焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合),通過選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C),進(jìn)而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力。


        此外,AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鍵合,因此結(jié)合強(qiáng)度高,可靠性好。但是該方法成本較高,合適的活性焊料較少,且焊料成分與工藝對焊接質(zhì)量影響較大,目前只有少數(shù)國外企業(yè)掌握了AMB基板量產(chǎn)技術(shù)。


        涉及到的陶瓷材料


        目前,已作為陶瓷覆銅板基板材料共有三種陶瓷,分別是氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板。氧化鋁基陶瓷基板是最常用的陶瓷基板,由于它具有好的絕緣性、好的化學(xué)穩(wěn)定性、好的力學(xué)性能和低的價格,但由于氧化鋁陶瓷基片低的熱導(dǎo)率、與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好。作為高功率模塊封裝材料,氧化鋁材料的應(yīng)用前景不容樂觀。


        氮化鋁基板具有高的熱導(dǎo)率和與硅、碳化硅材料相匹配的熱膨脹系數(shù),是較為理想的陶瓷基板材料。目前,氮化鋁陶瓷基板已經(jīng)成為高端功率模塊的首選陶瓷基板材料。然而,無論是氧化鋁還是氮化鋁陶瓷基板,其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都相對較低,導(dǎo)致焊接無氧銅后在熱循環(huán)過程中易于開裂,影響整個功率模塊的可靠性。


        陶瓷覆銅基板的物理性能



        氮化硅陶瓷具有2.4倍于氧化鋁和氮化鋁的抗彎強(qiáng)度,因此具有比氮化鋁高得多的可靠性,尤其是高強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)其與厚銅基板的覆接,大幅提高基板的熱性能。


        同時,β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導(dǎo)率(200~320W/m·K),但是其微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,對聲子的散射較大,故熱導(dǎo)率較低,限制了其作為功率模塊基板材料的應(yīng)用。因此,目前更多的研究關(guān)注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。


        小結(jié)


        由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高,金屬與陶瓷界面應(yīng)力大,因此AMB技術(shù)越來越受到業(yè)界關(guān)注,特別是采用低溫活性焊料。博敏電子表示,目前國內(nèi)的IGBT模塊大部分還是采用DBC工藝,隨著工作電壓、性能要求的不斷提升,AMB工藝技術(shù)的陶瓷基板能更好地解決上述痛點(diǎn),目前該技術(shù)不僅在汽車領(lǐng)域,還在航天、軌道交通、工業(yè)電網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

         

        此外,制備活性焊料是AMB基板制備關(guān)鍵技術(shù),博敏電子自研的釬焊料具備更高可靠的性能,可達(dá)到1000次冷熱沖擊測試,滿足航空航天的性能要求。相比于DBC工藝的陶瓷襯板,具備更高的導(dǎo)熱性、可靠性,產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于IGBT功率半導(dǎo)體。


        參考來源:

        [1]程浩等.電子封裝陶瓷基板

        [2]陸琪等.陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展

        [3]趙東亮等.功率模塊用陶瓷覆銅基板研究進(jìn)展


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        作者:山川

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