高功率陶瓷電路板成就高性能IGBT

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上。

IGBT是能量轉換和傳輸的核心器件，俗稱電力電子器件的“CPU”，應用于軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車等直流電壓600V及以上的轉換系統中和新能源設備。封裝好的IGBT模塊直接應用于逆變器、UPS不間斷電源等設備。

例如，IGBT在混合動力汽車中的作用是交流和直流的轉換，IGBT還承擔著高低壓轉換的功能。外部充電是交流電，需要通過IGBT轉換成直流電再饋入電池。同時必須將220V電壓轉換成合適的電壓給電池組充電。當電池放電時，直流電通過IGBT轉換成交流電供交流電機使用，同時對交流電機進行變頻控制。當然，電壓轉換是必不可少的。 IGBT模塊GBT約占電機驅動系統成本的一半，電機驅動系統占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占成本的7-10%車輛的成本，這是除電池之外第二高的成本部件，也決定了車輛的能源效率。直流充電樁30%的原材料成本是IGBT，電力機車一般需要500個IGBT模塊。

一、陶瓷基板是IGBT的關鍵基礎材料

高壓大功率IGBT模塊所產生的熱量主要是通過陶瓷覆銅板傳導到外殼而散發出去的，因此陶瓷覆銅板是電力電子領域功率模塊封裝的不可或缺的關鍵基礎材料。

陶瓷基板既具有陶瓷的高導熱性、高電絕緣性、高機械強度、低膨脹等特性，又具有無氧銅金屬的高導電性和優異的焊接性能，并能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形。

陶瓷覆銅板集合了功率電子封裝材料所具有的各種優點：

1)陶瓷部分具有優良的導熱耐壓特性;

2)銅導體部分具有極高的載流能力;

3)金屬和陶瓷間具有較高的附著強度和可靠性;

4)便于刻蝕圖形，形成電路基板;

5)焊接性能優良，適用于鋁絲鍵合。

二、DBC、AMB成IGBT主要覆銅板選擇

當前IGBT模塊中，使用到的陶瓷覆銅板主要是DBC、DPC基板。

1.直接覆銅工藝(DBC)

DBC基本原理是利用了銅與氧在燒結時形成的銅氧共晶液相，潤濕相互接觸的兩個材料表面，即銅箔表面和陶瓷表面，同時還與氧化鋁反應生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等復合氧化物，充當共晶釬焊用的焊料，實現銅箔與陶瓷的牢固結合。

DBC基板具有良好的導熱性，熱導率為20-260W/mK，IGBT模塊在運行過程中，在芯片表面產生大量的熱量，這些熱量可有效的通過DBC基板傳輸到模塊散熱底板上，再通過底板上的導熱硅脂傳導于散熱器上，完成模塊的整體散熱流動。同時，DBC基板膨脹系數同硅(芯片主要材質為硅)相近(7.1ppm/K)，不會造成對芯片的應力損傷，DBC基板抗剝力>20N/mm2,具有優秀的機械性能，耐腐蝕，不易發生形變，可在較寬溫度范圍內使用。

2.活性金屬焊接工藝(AMB)

活性焊銅工藝是DBC工藝的進一步發展，先將陶瓷表面印刷活性金屬焊料而后與無氧銅裝夾后在真空釬焊爐中高溫焊接，覆接完畢基板采用類似于PCB板的濕法刻蝕工藝在表面制作電路，最后表面鍍覆制備出性能可靠的產品。

AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進行化學反應來實現結合，因此其結合強度更高，可靠性更好。

三、IGBT模塊用陶瓷覆銅基板發展方向

以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體材料的出現，為器件性能的進一步大幅度提高提供了可能。針對SiC基/GaN基三代半導體器件高頻、高溫、大功率的應用需求，為實現大功率電力電子器件高密度三維模塊化封裝，需要開發可靠性更高、耐溫性能更好、載流能力更強的陶瓷覆銅基板。

選材第一要素，功能要達標。無論是氧化鋁、氮化鋁還是氮化硅等陶瓷基板，均需要根據IGBT需求規格進行選材，并采用合適的覆銅工作制作成板。