IGBT 是電力電子變換中的核心元器件，以低電壓控制大功率電路的斷開與導通，廣泛應用于軌道交通、新能源汽車、軍工航天、工業機器等領域。隨著我國高鐵、航空航天、混合動力汽車的飛速發展， IGBT 模塊需要更高的可靠性、更快的開關轉換速度、更低的能量損耗等，因此，需要高可靠性的封裝技術使芯片的優勢能夠完全發揮出來。其中，IGBT 封裝用散熱基板在封裝時起著機械互連和電氣導通的作用，是高可靠性封裝中至關重要的環節。
圖??EC?DUAL3?IGBT模塊，攝于北一半導體展臺IGBT 封裝對基板材料的要求如下：熱導率高、介電常數低、與芯片材料的熱膨脹系數相匹配、力學強度優良、加工性能好、成本低、耐熱沖擊和冷熱循環等。閱讀本文前，歡迎掃碼下方二維碼加入艾邦陶瓷基板及封裝產業微信群，與行業朋友一起交流學習。長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄右側“微信群”，申請加入陶瓷基板交流群。一、IGBT?模塊封裝用陶瓷材料種類
IGBT 模塊的典型封裝結構如圖所示，可以看出芯片產生的熱量主要通過基板和散熱翅傳遞出去，因此基板所采用的材料需要導熱性能優良、耐熱沖擊，同時介電常數要低，避免產生雜散電感，減少能源損耗。為實現機械固定，基板材料還需要具有一定的強度。由于陶瓷材料具有強度高、絕緣性好、導熱和耐熱性能優良、熱膨脹系數小、化學穩定性好等優點，非常適合作為IGBT 封裝用基板材料。
市面上常見的作為 IGBT 封裝用的基板材料有 AlN、Al2O3、Si3N4等，其具體物理參數如下表所示。還有在這些陶瓷成分的基礎上做的一些改性，使其既具有優良的導熱性能，又有較高的機械強度，如氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）。陶瓷材料的選擇，需要從陶瓷的熱導率、熱膨脹系數、電絕緣性能、機械強度、成本等進行綜合考慮。表?常見陶瓷材料的物理性能
Al2O3 陶瓷由于價格低廉，應用最廣泛，但是其熱導率較低、熱膨脹系數高，芯片工作時產生的熱量沒法及時散出，顯著降低了模塊的可靠性，不能滿足更大功率密度 IGBT 模塊的使用要求。
AlN 陶瓷熱導率高，在室溫下，其理論熱導率可以達到 319 W/(m·K)，撓曲強度高，與 Si、SiC、GaN 的熱膨脹系數相近，是合適的基板選擇材料之一。
商業常見的 Si3N4 陶瓷的熱導率達到 90 W/(m·K)，相對于 AlN 的熱導率低，但遠大于 Al2O3 的熱導率，同時機械強度高，斷裂韌性好，高溫可靠性更好。因此 Si3N4 在如今的 IGBT 封裝基板中具有很大的應用潛力。二、IGBT?模塊陶瓷襯板金屬化技術
IGBT 封裝用基板在模塊中除發揮機械固定元器件的作用外，還需要具有一定的載流能力。單純的陶瓷材料并不導電，需要將陶瓷金屬化后，在金屬層刻制電路，才能作為 IGBT 封裝用基板材料。這就帶來了新的問題，由于金屬和陶瓷的熱膨脹系數相差很大，在每一次冷熱循環后，會在界面處產生殘余熱應力，長時間累積會導致金屬層剝落，陶瓷開裂，使得 IGBT 模塊失效。市面上的 IGBT 封裝基板采用直接覆銅（Direct Bonding Copper，DBC）、活性金屬釬焊（Active Metal Brazing，AMB）技術和直接敷鋁陶瓷基板（Direct Bonded Aluminum，DBA）技術，將不同的金屬材料與陶瓷材料互連，作為 IGBT 模塊封裝用基板。陶瓷和金屬互連的難題在于熔融金屬難以潤濕陶瓷表面，金屬與陶瓷的熱膨脹系數不匹配，接頭處容易產生較大的殘余應力。DBC 是利用在 1065～1083℃形成的 Cu-O 共晶液能夠潤濕大多數陶瓷如 Al2O3、AlN，從而形成可靠的連接。
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DBA是基于DBC技術發展起來的新型金屬敷接陶瓷基板，是鋁與陶瓷層鍵合而形成的基板，其結構與DBC 相似，也可以像PCB基板一樣蝕刻出各式各樣的圖形。DBA 法常見的有兩類：①熔融液態鋁敷接法；②金屬過渡法。
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AMB 是一種釬焊互連的方法，利用釬料中含有的 Ti、Zr、Al、Hf、Nb、Cr、Ta、V 等活性元素與陶瓷基板發生反應，形成中間連接層，從而將金屬與陶瓷連接起來。AMB 的優點是焊接工藝簡單，結合強度高；缺點是活性元素容易氧化，釬料成本高，需要在高真空或惰性氣氛下焊接，使得整個基板的成本提高。
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AMB 和 DBC、DBA 有著各自的優缺點，DBC 基板成本低，但是可靠性差，不適合在苛刻環境下使用的 IGBT 模塊；而 AMB 得到的基板雖然成本提升，但可靠性高，更適合于高溫、高功率密度下使用的 IGBT 模塊，例如在航空航天、軌道交通、新能源汽車等領域中使用。DBA 與 DBC 在很多方面類似，但是相比于 DBC，DBA 具有顯著的抗熱震性能和熱穩定性能，且重量輕、熱應力小，對提高在極端溫度下工作器件的穩定性十分明顯，因此特別適合用于功率電子電路。8月29-31日，第五屆精密陶瓷暨IGBT產業鏈展覽會上為呈現功率器件封裝陶瓷襯板國產化技術方案，地址：深圳國際會展中心8號館（寶安），歡迎各位行業朋友蒞臨參觀交流！資料來源：黃義煉等：IGBT 模塊封裝用基板材料的研究現狀為加強陶瓷基板及其封裝行業上下游交流聯動，艾邦建有陶瓷基板產業群，歡迎產業鏈上下游企業加入。
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原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：一文了解 IGBT 模塊封裝用陶瓷襯板技術
