氮化硅基板應用于IGBT模塊
作者：偉邦材料 發布時間：2021-10-26 16:39 瀏覽次數 :
髙壓IGBT控制模塊造成的熱能主要是根據氮化硅陶瓷覆銅板傳遞到機殼，因而氮化硅陶瓷覆銅板是電力電子行業中功率模塊封裝不能缺少的重要基本原材料。它不僅具有陶瓷的高導熱、高電絕緣、高機械強度和低膨脹的特點，還具有無氧銅金屬的高導電性和優異的釬焊性能，可以刻蝕出PCB等各種圖案。氮化硅覆銅板結合了電力電子封裝材料的各種優點:
1）陶瓷部分具有優良的導熱耐壓特性;
銅導體部分具有很高的載流能力;
3）金屬和陶瓷間具有較高的附著強度和可靠性;
4）便于進行刻蝕圖形，形成一個電路基板;
5）焊接技術性能具有優良，適用于鋁絲鍵合。
陶瓷基板材料的性能是決定陶瓷基板性能的決定性因素。目前，陶瓷覆銅層合板主要有氧化鋁陶瓷層合板、碳化鋁陶瓷層合板和氮化硅陶瓷層合板三種陶瓷材料。氧化鋁陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，因為它具有良好的絕緣性、良好的化學穩定性、良好的機械性能和較低的價格，但由于氧化鋁陶瓷基板的導熱系數相對較低，它與硅的熱膨脹系數沒有很好的匹配。氧化鋁材料作為一種高功率模塊封裝材料，其應用前景不容樂觀。
氮化鋁覆銅板在熱特性層面有著十分高的導熱性和更快的排熱性。應力層面，熱膨脹系數貼近硅，全部模塊的內應力較低，提升了高壓IGBT模塊的穩定性。全部這種優秀的性能使氮化鋁覆銅板變成 封裝高壓IGBT模塊的優選 。本文研究了直接覆銅工藝（DBC）和活性金屬焊接工藝（AMB）制備氮化鋁陶瓷覆銅板。 比較了兩種工藝的異同點以及制備的氮化鋁陶瓷覆銅板的性能差異。
高壓IGBT模塊陶瓷覆銅基板的發展趨勢
以碳化硅和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提高提供了可能。為了滿足 sic/gan 第三代半導體器件的高頻、高溫和大功率應用要求，為了實現電力電子器件的高密度三維模塊化封裝，有必要開發出可靠性高、耐溫性好、載流能力強的陶瓷包銅襯底。氮化硅陶瓷基板的抗彎強度是氧化鋁和氮化鋁的2.4倍，因此其可靠性遠高于氮化鋁和氧化鋁，特別是高強度的基板可以實現厚銅基板的包覆，大大提高了基板的熱性能。氮化硅陶瓷銅復合板在載流能力、散熱能力、力學性能和可靠性方面與氮化鋁和氧化鋁相比具有明顯的優勢。同時，β-si3n4陶瓷具有較高的熱導率(200-320w/mk) ，但其微觀結構較為復雜，大的聲子散射和低熱導率限制了其作為功率模塊基板材料的應用。因此，如何提高氮化硅陶瓷的熱導率成為當前研究的熱點。
高導熱陶瓷應滿足以下條件:
平均原子量小;
原子鍵合強度高；
晶體結構相對簡單;
晶格非諧振動較低。
提高氮化硅陶瓷材料熱導率的方法主要包括：
β-氮化硅相種子的引入;
燒結添加劑的選擇；
成型技術工藝設計以及熱處理工藝。
因此，在大功率 igbt 模塊領域，氮化硅陶瓷覆銅板具有較厚的無氧銅焊接能力和較高的可靠性，將在未來的電動汽車高可靠性功率模塊中得到廣泛應用。根據覆銅板的材料和工藝特點，提出了陶瓷覆銅板的技術發展方向。主要發展方向是大功率模塊領域的氮化鋁(aln)陶瓷覆銅板(ccl) ，氮化硅陶瓷覆銅板是高可靠性功率模塊領域的主要發展方向。
隨著我國戰略性新興產業的興起，電力電子技術在風能、太陽能、熱泵、水電、生物質能、綠色建筑、新能源裝備、電動汽車、軌道交通等先進制造業等重要領域都發揮著重要的作用，而這其中的許多領域在“十三五”規劃中都具備萬億以上的市場規模，其必將帶來電力電子技術及其產業的高速發展，迎來重大發展機遇期。 這些將對陶瓷覆銅板（IGBT 模塊封裝的關鍵材料）產生巨大需求。因此，必須抓住機遇，開發一系列陶瓷覆銅基板，以滿足不同領域的需求。，特別是需要加快高可靠氮化鋁基板、氮化硅基板的研發及產業化進度，為我國高壓IGBT模塊的國產化奠定基礎。
