高速鐵路、軌道交通、混合動(dòng)力汽車、風(fēng)能發(fā)電的迅速發(fā)展，對 IGBT 功率模塊的發(fā)展提出了迫切的要求，IGBT 功率模塊封裝也得到了快速發(fā)展。在IGBT 模塊中，除了半導(dǎo)體芯片材料之外，高性能基板也是影響其性能和可靠性的關(guān)鍵，我們知道如今氮化鋁陶瓷基板在封裝市場上非?；馃幔鋵?shí)還有一種新型基板材料堪稱為新一代電子封裝材料的佼佼者，即鋁碳化硅（AlSiC）基板。

鋁碳化硅基板

鋁碳化硅（AlSiC）是一種顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料，它充分結(jié)合了碳化硅陶瓷和金屬鋁的不同優(yōu)勢，采用鋁合金作基體，用碳化硅顆粒作增強(qiáng)劑，構(gòu)成有明顯界面的多組相復(fù)合材料。

這種復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱性、與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)、密度小、重量輕，以及高硬度和高抗彎強(qiáng)度等優(yōu)異性能，作為封裝材料滿足了封裝的輕便化、高密度化等要求，適用于航空、航天、高鐵及微波等領(lǐng)域，是解決熱學(xué)管理問題的首選材料，其可為各種微波和微電子以及功率器件、光電器件的封裝與組裝提供所需的熱管理，具有很大的市場潛力。

看到這里可能有人有所疑問，都叫做基板，那這個(gè)鋁碳化硅基板難道性能比得上氮化鋁基板？但其實(shí)此基板非彼基板，二者不是“競爭關(guān)系”，而是“搭檔關(guān)系”。

從IGBT模塊的結(jié)構(gòu)圖可知，IGBT模塊共由7層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，大致可以分成三部分：芯片、DBC和基板，這三部分匹配相疊，最終封裝成完整的IGBT模塊。在這其中，DBC的部分需要用基板，另外最底層還有個(gè)作為底板的基板。

IGBT模塊示意圖

在傳統(tǒng)的IGBT模塊里，DBC的部分使用的陶瓷基板主要為Al₂O₃基板，搭配銅基板作為底板基板，而在大功率高壓IGBT模塊里，DBC內(nèi)的Al₂O₃基板漸漸被AlN或Si₃N₄基板所取代，大多還是搭配銅基板作為底板基板。而隨著IGBT技術(shù)的逐步提升，IGBT模塊又有所改進(jìn)，主要變化在于使用鋁碳化硅基板取代原先的銅基板。

常用熱管理材料性能

盡管銅基板具有良好的導(dǎo)熱能力，現(xiàn)如今仍是最重要的IGBT基板材料，但銅的熱膨脹系數(shù)接近IGBT芯片的三倍，這三倍的差異在低功率模塊封裝可用陶瓷覆銅板或多層陶瓷覆銅板來過渡解決。但高功率模塊如果用銅基板去承載芯片襯底同時(shí)在下方接合散熱器的話，焊接的銅基板經(jīng)受不住1000次熱循環(huán)，焊接外緣就會(huì)出現(xiàn)分層脫離。這種情況下，如果長期在震動(dòng)環(huán)境下使用，如軌道機(jī)車、電動(dòng)汽車、飛機(jī)等，其可靠性會(huì)大幅下降。

  另外，銅和陶瓷材料之間不匹配的熱膨脹系數(shù)也會(huì)導(dǎo)致 IGBT 模塊材料之間熱應(yīng)力的產(chǎn)生，在焊料中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，嚴(yán)重的情況將導(dǎo)致焊料開裂，增加芯片和基底間的熱阻，從而引起嚴(yán)重的質(zhì)量問題。例如銅（17×10^-6/℃）和氮化鋁DBC（7×10^-6/℃）之間熱膨脹系數(shù)的不同容易在經(jīng)過多次熱循環(huán)后會(huì)出現(xiàn)銅基板與氮化鋁DBC之間的開裂現(xiàn)象。

經(jīng)過200～4 000次熱循環(huán)后銅基板和氮化鋁之間的開裂現(xiàn)象

在這種情況下，鋁碳化硅材料可以解決上述問題，鋁碳化硅可以提供極高的剛性和相匹配的熱膨脹系數(shù)（與氮化鋁材料），同時(shí)與銅基板相比，密度也小得多，實(shí)在是完美解決如今大功率高電壓IGBT模塊生產(chǎn)中，銅基板已無法滿足更高要求這個(gè)問題的替代之選。

而從產(chǎn)業(yè)化趨勢來看，鋁碳化硅可實(shí)現(xiàn)低成本的、無須進(jìn)一步加工的凈成形，還能與高散熱材料（金剛石、高熱傳導(dǎo)石墨等）的經(jīng)濟(jì)性并存集成，滿足大批量倒裝芯片封裝、微波電路模塊、光電封裝所需材料的熱穩(wěn)定性及散溫度均勻性要求，同時(shí)也是大功率晶體管、絕緣柵雙極晶體管的優(yōu)選封裝材料，提供良好的熱循環(huán)及可靠性，其發(fā)展前景非常值得期待。

參考來源：

功率 IGBT 模塊中的材料技術(shù)，張曉云（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所）；

電子封裝中的鋁碳化硅及其應(yīng)用，龍樂。

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