IGBT 是电力电子变换中的核心元器件，以低电压控制大功率电路的断开与导通，广泛应用于轨道交通、新能源汽车、军工航天、工业机器等领域。随着我国高铁、航空航天、混合动力汽车的飞速发展， IGBT 模块需要更高的可靠性、更快的开关转换速度、更低的能量损耗等，因此，需要高可靠性的封装技术使芯片的优势能够完全发挥出来。其中，IGBT 封装用散热基板在封装时起着机械互连和电气导通的作用，是高可靠性封装中至关重要的环节。
图 EC DUAL3 IGBT模块，摄于北一半导体展台
IGBT 封装对基板材料的要求如下：热导率高、介电常数低、与芯片材料的热膨胀系数相匹配、力学强度优良、加工性能好、成本低、耐热冲击和冷热循环等。阅读本文前，欢迎扫码下方二维码加入艾邦陶瓷基板及封装产业微信群，与行业朋友一起交流学习。
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一、IGBT 模块封装用陶瓷材料种类
IGBT 模块的典型封装结构如图所示，可以看出芯片产生的热量主要通过基板和散热翅传递出去，因此基板所采用的材料需要导热性能优良、耐热冲击，同时介电常数要低，避免产生杂散电感，减少能源损耗。为实现机械固定，基板材料还需要具有一定的强度。由于陶瓷材料具有强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优良、热膨胀系数小、化学稳定性好等优点，非常适合作为IGBT 封装用基板材料。
市面上常见的作为 IGBT 封装用的基板材料有 AlN、Al2O3、Si3N4等，其具体物理参数如下表所示。还有在这些陶瓷成分的基础上做的一些改性，使其既具有优良的导热性能，又有较高的机械强度，如氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA）。陶瓷材料的选择，需要从陶瓷的热导率、热膨胀系数、电绝缘性能、机械强度、成本等进行综合考虑。
表 常见陶瓷材料的物理性能
Al2O3 陶瓷由于价格低廉，应用最广泛，但是其热导率较低、热膨胀系数高，芯片工作时产生的热量没法及时散出，显著降低了模块的可靠性，不能满足更大功率密度 IGBT 模块的使用要求。
AlN 陶瓷热导率高，在室温下，其理论热导率可以达到 319 W/(m·K)，挠曲强度高，与 Si、SiC、GaN 的热膨胀系数相近，是合适的基板选择材料之一。
商业常见的 Si3N4 陶瓷的热导率达到 90 W/(m·K)，相对于 AlN 的热导率低，但远大于 Al2O3 的热导率，同时机械强度高，断裂韧性好，高温可靠性更好。因此 Si3N4 在如今的 IGBT 封装基板中具有很大的应用潜力。
二、IGBT 模块陶瓷衬板金属化技术
IGBT 封装用基板在模块中除发挥机械固定元器件的作用外，还需要具有一定的载流能力。单纯的陶瓷材料并不导电，需要将陶瓷金属化后，在金属层刻制电路，才能作为 IGBT 封装用基板材料。这就带来了新的问题，由于金属和陶瓷的热膨胀系数相差很大，在每一次冷热循环后，会在界面处产生残余热应力，长时间累积会导致金属层剥落，陶瓷开裂，使得 IGBT 模块失效。
市面上的 IGBT 封装基板采用直接覆铜（Direct Bonding Copper，DBC）、活性金属钎焊（Active Metal Brazing，AMB）技术和直接敷铝陶瓷基板（Direct Bonded Aluminum，DBA）技术，将不同的金属材料与陶瓷材料互连，作为 IGBT 模块封装用基板。陶瓷和金属互连的难题在于熔融金属难以润湿陶瓷表面，金属与陶瓷的热膨胀系数不匹配，接头处容易产生较大的残余应力。
DBC 是利用在 1065～1083℃形成的 Cu-O 共晶液能够润湿大多数陶瓷如 Al2O3、AlN，从而形成可靠的连接。
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DBA是基于DBC技术发展起来的新型金属敷接陶瓷基板，是铝与陶瓷层键合而形成的基板，其结构与DBC 相似，也可以像PCB基板一样蚀刻出各式各样的图形。DBA 法常见的有两类：①熔融液态铝敷接法；②金属过渡法。
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AMB 是一种钎焊互连的方法，利用钎料中含有的 Ti、Zr、Al、Hf、Nb、Cr、Ta、V 等活性元素与陶瓷基板发生反应，形成中间连接层，从而将金属与陶瓷连接起来。AMB 的优点是焊接工艺简单，结合强度高；缺点是活性元素容易氧化，钎料成本高，需要在高真空或惰性气氛下焊接，使得整个基板的成本提高。
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AMB 和 DBC、DBA 有着各自的优缺点，DBC 基板成本低，但是可靠性差，不适合在苛刻环境下使用的 IGBT 模块；而 AMB 得到的基板虽然成本提升，但可靠性高，更适合于高温、高功率密度下使用的 IGBT 模块，例如在航空航天、轨道交通、新能源汽车等领域中使用。DBA 与 DBC 在很多方面类似，但是相比于 DBC，DBA 具有显著的抗热震性能和热稳定性能，且重量轻、热应力小，对提高在极端温度下工作器件的稳定性十分明显，因此特别适合用于功率电子电路。
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资料来源：黄义炼等：IGBT 模块封装用基板材料的研究现状
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原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：一文了解 IGBT 模块封装用陶瓷衬板技术
