陶瓷基板在IGBT功率器件中的應用現狀

• IGBT功率器件概述

• 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種新型復合功率器件，它結合了金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）和雙極晶體管的優點，具有輸入阻抗大、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區大和可耐高電壓和大電流等一系列優勢。因此，IGBT被大規模應用于電動汽車、電力機車里的電機驅動以及并網技術、儲能電站、工業領域的高壓大電流場合的交直流電轉換和變頻控制等領域，是電力電子領域中最重要的大功率器件，堪稱綠色經濟的核心器件。

• 在這些應用場景中，IGBT面臨著高功率密度所帶來的大量發熱問題，而熱量如果不能及時散出，會導致性能下降和可靠性問題，芯片散熱不良將導致IGBT模塊失效，據報道約70%的IGBT模塊失效歸因于散熱不良引起的鍵合線剝離或熔斷。



• 陶瓷基板的應用情況

• 種類和工藝：陶瓷基板在IGBT中能起到較好的機械支撐、電路互聯、電氣絕緣和散熱通路的功能。從陶瓷基片材料上看，國內常用陶瓷基板材質主要為Al2O3、AlN和Si3N4。從工藝實現陶瓷基板覆銅后再刻蝕的不同來看，當前較普遍的陶瓷散熱基板分為高溫共燒陶瓷（HTCC）、低溫共燒陶瓷（LTCC）、直接覆銅（DBC）、直接電鍍銅（DPC）、活性金屬釬焊（AMB）等。其中，氧化鋁（Al2O3）最常用，因為在機械、熱、電性能上相對于大多數其他氧化物陶瓷，其強度及化學穩定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術制造以及不同的形狀；氮化鋁（AlN）導熱率較高，其熱導率是Al2O3的7 - 10倍，絕緣電阻、絕緣耐壓更高，介電常數更低，熱膨脹系數（CTE）與硅片近似匹配；氮化硅（Si3N4）可靠性優秀，熱膨脹系數（2.4ppm/K）較小，與硅芯片（4ppm/K）接近，具有較高的熱導率、抗彎強度大，機械性能具有優異的耐高溫性能、散熱特性和超高的功率密度，載流能力較高，而且傳熱性也非常好。而從封裝結構和應用要求分類，陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。

• 工藝對應的基板類型應用：Al2O3陶瓷基板主要采用DBC工藝，AlN陶瓷基板主要采用DBC和AMB工藝，Si3N4陶瓷基板更多采用AMB工藝。在當前，DBC工藝在國內的IGBT模塊中有大量應用，但隨著工作電壓、性能要求的不斷提升，AMB工藝技術的陶瓷基板由于可靠性更優等優點（如AMB基板制備技術是DBC基板工藝的改進，通過選用活性焊料可降低鍵合溫度（低于800°C），進而降低陶瓷基板內部熱應力），逐漸在更多領域得到應用，目前該技術不僅在汽車領域，還在航天、軌道交通、工業電網領域廣泛應用，并且AMB氮化硅基板是第三代SiC半導體功率器件首選，因為它具有較高的熱導率(90W/mK)，厚銅層(達800μm)還具有較高熱容量以及傳熱性，此外，氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數與第3代半導體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配更穩定。

陶瓷基板對IGBT功率器件性能的影響

• 散熱性能的提升

• 改善熱傳導：在IGBT工作過程中，由于其高功率密度，會產生大量熱量。普通的基板（例如玻璃纖維材質的普通PCB）在散熱能力上存在很大局限性。陶瓷基板有著優異的散熱性能，如氮化鋁陶瓷基板，其導熱率較高，熱導率是Al2O3的7 - 10倍，能夠高效地將IGBT芯片產生的熱量傳導出去。以DBCAl2o3基板為例，其導熱系數是傳統基材的五倍，這使得它可以有效散熱IGBT產生的熱量，從而降低其工作溫度，使IGBT處于更適合的工作溫度區間，避免因高溫所導致的降低功率、性能衰退甚至失效等問題。

• 防止局部過熱：陶瓷基板良好的散熱能力可以確保整個IGBT芯片的熱量散發均勻，避免出現局部過熱現象。例如在高功率的IGBT模塊中，如果熱量散發不均勻，局部過熱的區域容易使鍵合線等部件發生損壞，進而影響整個模塊的正常運行。陶瓷基板的高導熱性使得芯片各個部分的熱量都能快速傳導出去，從而維持整個IGBT模塊溫度的一致性，提高模塊的穩定性和可靠性。

• 電氣性能的優化

• 電絕緣性能保障：陶瓷基板具有良好的電氣絕緣性，這在IGBT功率器件中是非常重要的。因為在電路運行過程中，需要將不同電位的部件進行隔離。如果基板的絕緣性能不好，容易引發短路故障，可能會對整個電路系統造成不可挽回的損害。不同類型的陶瓷基板材料都有著較強的絕緣能力，例如氧化鋁陶瓷基板不僅導熱性穩定，還具備良好的絕緣性，在各種功率要求的IGBT器件中，都能夠滿足電氣絕緣需求，對保障整個IGBT功率器件的正常運行有著重要意義，避免因電氣絕緣失效導致的設備損壞或危險狀況發生。

• 減小電氣干擾：在復雜的電路環境下，IGBT功率器件容易受到外界的電磁干擾或者自身產生的電氣干擾影響其他電子元件。陶瓷基板能夠為電路提供一個穩定的電氣環境，最大限度地減少電氣干擾。DBCDPC基板優異的電絕緣性能有助于最大限度地減少電氣干擾并提高系統的整體安全性，在大功率應用中即使是很小的電氣干擾也可能造成重大損壞，所以這種電氣抗干擾能力對于IGBT功率器件的整體性能和可靠性有著重大的提升作用。

• 機械性能的貢獻

• 機械強度支撐：陶瓷基板在結構上能夠為IGBT芯片提供足夠的機械支撐。在一些惡劣的工作環境（如震動較大的汽車、航天等領域）或者長期使用中，IGBT芯片需要穩固的支撐才能保持正常的性能。即使在極端溫度下，陶瓷基板也能保持其機械強度，滿足芯片的支撐需求，從而確保IGBT功率器件在不同環境下都能夠穩定地工作，不會因為機械結構的松動、變形等現象而出現故障，有助于提高產品的耐久性和可靠性。

• 適應熱膨脹：在IGBT功率器件工作過程中，由于發熱等因素會引起溫度的變化，進而導致裝置內不同材料熱膨脹不一致的問題。與IGBT芯片熱膨脹系數相近的陶瓷基板，如氮化鋁陶瓷基板，其熱膨脹系數與硅接近，整個模塊內部應力較低。這種熱膨脹系數的匹配有助于減少因溫度變化產生的內部應力，避免因應力過大出現諸如芯片和基板間鍵合線斷裂或者基板翹曲變形等故障，提高IGBT功率器件的使用壽命和可靠性。

IGBT功率器件中陶瓷基板的選擇標準

• 導熱性能

• 高熱導率材料優先：IGBT功率器件運行時發熱量大，所以陶瓷基板的導熱率是重要的選擇依據。例如氮化鋁陶瓷基板的熱導率是氧化鋁陶瓷基板的7 - 10倍，在對散熱需求極高的高功率IGBT模塊中具備更大的優勢。在氮化鋁精密陶瓷基板下，熱量能更快地從芯片傳導出去，能有效地防止芯片因過熱導致性能下降或失效的情況發生。并且，對于大功率和高電流的IGBT應用場景，如在電動汽車逆變器中使用的IGBT模塊，通過快速散熱能力維持較低的工作溫度，從而確保整個系統的高效穩定運行，減少由于過熱引起的故障風險，因此高熱導率材料制成的陶瓷基板更為適合。

• 匹配不同封裝散熱需求：不同的IGBT封裝設計在散熱要求上存在差異。對于一些緊湊封裝且散熱面積有限的IGBT功率器件，需要陶瓷基板具有更加卓越的導熱能力，以彌補散熱空間不足的問題。例如在小型化的工業變頻器中的IGBT模塊，選用導熱性能好的陶瓷基板能夠在有限的空間內快速散出熱量，避免熱量積累影響性能。

• 電氣性能要求

• 絕緣性能良好：陶瓷基板必須要有優異的電絕緣性，以實現電路中不同部分的電氣隔離，防止短路。在IGBT功率器件這樣高壓大電流的環境下運作，任何電氣絕緣上的薄弱環節都可能導致災難性的后果。氧化鋁陶瓷基板具備好的絕緣性，即使當IGBT模塊在數千伏的電壓下運行時，也能夠確保電路組件之間不會有漏電或者擊穿現象，保障系統的安全性。

• 適合的介電常數和電阻率等特性：除了絕緣性，陶瓷基板的介電常數、電阻率等電氣特性也需要適配IGBT功率器件的工作要求。如果介電常數不合適，可能影響電路的信號傳輸和電場分布；電阻率不足會導致較大的漏電電流等問題。例如在超高頻的IGBT應用場景中，需要陶瓷基板具備合適的介電常數，以保證信號的準確傳輸，提高整個功率組件的工作性能。

• 與芯片的熱膨脹匹配性

• 減小內部應力：IGBT功率器件工作時溫度會發生顯著變化，陶瓷基板與芯片熱膨脹系數的匹配程度直接影響著內部應力的大小。如果熱膨脹系數差異過大，在溫度變化時，芯片與基板之間就會產生較大的內部應力，容易導致鍵合線斷裂或者芯片損壞。例如，氮化鋁陶瓷基板的熱膨脹系數與硅片近似匹配，在封裝IGBT芯片時，能夠有效降低內部應力，提高整個模塊的可靠性和使用壽命，在需要長時間穩定運行的IGBT功率器件（如航天航空電源系統中的IGBT模塊）中有著重要意義。

• 適應熱循環要求：在一些IGBT功率器件的應用場景中，可能會頻繁地經歷溫度快速變化的熱循環過程，如汽車的啟動 - 停止循環期間，IGBT模塊的溫度會迅速變化。此時，陶瓷基板與芯片在熱膨脹方面的良好匹配，能夠使芯片和基板在熱循環過程中更好地同步膨脹和收縮，避免由于兩者變形不一致而產生的損壞，確保IGBT功率器件在反復的熱循環下穩定運行。

不同類型陶瓷基板在IGBT功率器件中的比較

• 氧化鋁（Al2O3）陶瓷基板

• 導熱率相對較低：相對于氮化鋁和氮化硅陶瓷基板來說，導熱率不高，導熱系數通常在25w - 30w之間。在功率要求較高、發熱量大的IGBT功率器件（如高功率的電動汽車驅動模塊中的IGBT）中，熱量不能快速且高效地散去，可能會導致IGBT芯片溫度過高，進而使整個模塊的性能下降，甚至可能加快芯片的老化進程或者引發故障。

• 熱膨脹系數與硅不匹配：該陶瓷基板的熱膨脹系數與硅的熱膨脹系數匹配不夠理想。在IGBT這樣的含硅芯片的功率器件中，當溫度發生變化時，由于熱膨脹系數的差異，會產生較大的內部應力，使得芯片 - 基板界面或者鍵合部分容易受到影響，長期運行過程中，出現鍵合線剝離或者其他連接問題的概率也會增加。

• 成本較低且原料易得：是最常用的陶瓷基板材質，由于其產量較大，相對其他陶瓷材料，具有成本優勢，這使得在一些對成本較為敏感且功率需求不是特別高的IGBT功率器件應用中得到廣泛使用。例如一些在小型工業電機控制中的IGBT模塊，對成本有一定要求，氧化鋁陶瓷基板就比較合適。它的原料來源豐富，適用于各種各樣的技術制造以及不同的形狀，可以滿足多種不同的加工需求和IGBT模塊的封裝結構要求。

• 化學穩定性較好：具有一定的抗腐蝕能力，在一般的工作環境下不易與外界物質發生化學反應。在一些較為普通的工業環境或者相對溫和的儲能電站中的IGBT功率器件中，氧化鋁陶瓷基板能夠保持穩定的性能，減少因化學腐蝕導致的性能下降或者損壞風險。

• 機械性能較為穩定：在機械強度方面表現較好，能夠對IGBT芯片提供基本的機械支撐，在正常的工作震動或者外部機械應力影響下，保持自身結構的完整性，確保IGBT芯片的穩定工作。不過在一些對機械強度要求更高的極端環境下，其性能較氮化硅等陶瓷基板可能會有一定差距。

• 優點

• 缺點

• 氮化鋁（AlN）陶瓷基板

• 成本相對較高：相比于氧化鋁陶瓷基板，由于氮化鋁原料的制備、加工工藝的復雜程度所以導致成本相對較高。這使得在一些需要在成本與性能之間進行權衡的大規模量產的低功率IGBT應用場景下（如一些小型民用電器中的低功率IGBT模塊），氮化鋁陶瓷基板的應用可能會受到一定限制。

• 高導熱率：其導熱率是氧化鋁陶瓷基板的7 - 10倍，具有非常高的熱導率（170W以上），可以迅速將IGBT功率器件產生的熱量傳導出去。在高功率的IGBT應用場景（如需處理高電壓大電流的電動汽車IGBT逆變器等）下，這種高效的散熱能力可以有效避免IGBT芯片因過熱而降低性能或產生故障，大大提高了IGBT功率器件的工作效率和使用壽命。

• 電氣性能良好：氮化鋁陶瓷基板有著較高的絕緣電阻、絕緣耐壓，同時介電常數更低。這使得在處理高電壓和大電流的IGBT功率器件中，能夠更好地實現電氣絕緣和信號傳輸，減少漏電和電氣干擾現象的發生，保證電路的完整性和穩定性。

• 與硅片匹配的熱膨脹系數：其熱膨脹系數與硅片近似匹配，當IGBT功率器件在溫度變化的工作環境下運行時，芯片與氮化鋁陶瓷基板之間的內部應力能夠有效降低，有利于維持芯片與基板之間的良好連接，保護鍵合線以及芯片本身，提高整個IGBT功率器件的可靠性，特別是在對可靠性要求較高的工業控制系統中的IGBT功率器件。

• 綜合性能較好：從載流量來看，較適合在高功率、高電流產品的IGBT應用上。且具有無氧銅的高導電性和優異的焊接性能，是IGBT模塊封裝的關鍵基礎材料，提高了高壓IGBT模塊的可靠性。這些綜合特性令氮化鋁陶瓷基板成為高壓IGBT模塊封裝的首選材料之一，適合眾多高壓和高功率密度的IGBT功率器件封裝需求。

• 優點

• 缺點

• 氮化硅（Si3N4）陶瓷基板

• 可能的成本劣勢：從成本方面來看，如果沒有大規模的生產和技術工藝的進一步優化，相比于氧化鋁陶瓷基板，其成本可能也相對較高。這在一定程度上可能限制其在一些對成本要求很嚴格的中低功率IGBT功率器件中的應用。同時其金屬化價格是白板基板價格的3倍以上，較高的成本也會成為其廣泛應用的一個挑戰，特別是對于產量較大但利潤較低的一些基礎工業應用中的IGBT功率器件。

• 卓越的可靠性：具有高的機械強度，包括抗彎強度大，能承受一定的外力沖擊，在機械性能方面還具有優異的耐高溫性能、散熱特性和超高的功率密度等優勢。在一些高溫環境或者對可靠性要求極高的IGBT功率器件（如航天航空中的大功率IGBT轉換器等）應用場景下表現出色，能夠保持穩定的性能，確保設備的可靠運行。

• 較高的載流能力和良好傳熱性：有著較高的載流能力，可以滿足大功率IGBT功率器件大電流傳輸的需求；良好的傳熱性有助于芯片熱量的快速傳導。加上熱膨脹系數（2.4ppm/K）較小并且與硅芯片（4ppm/K）接近，在芯片 - 基板結合中，可以減少因熱膨脹系數差異產生的內部應力，避免諸如鍵合線開裂等故障的出現，從而提高IGBT功率器件的穩定性和壽命，這在需要長期穩定運行的IGBT功率器件應用，如智能電網中的大型IGBT功率轉換裝置方面有著重要意義。

• 匹配第三代半導體材料：氮化硅基板很適合與第三代半導體材料配合使用，例如其熱膨脹系數與第3代半導體襯底SiC晶體接近，使得它作為第三代SiC半導體功率器件的高導熱基板材料時能夠與SiC晶體材料匹配更穩定，是第三代SiC半導體功率器件高導熱基板材料的首選。在一些前沿的高功率密度、高電壓的IGBT功率器件（如電動汽車最新研發的高功率驅動模塊）中具有不可替代的優勢。

• 優點

• 缺點

陶瓷基板在IGBT功率器件應用的未來發展趨勢

• 高性能陶瓷基板的需求增長

• 隨著IGBT應用拓展對基板要求提高：隨著IGBT功率器件在更多領域（如電動汽車大功率電機控制、高速列車的牽引系統、超大型數據中心的電力管理等）的大規模應用以及應用場景越來越向高功率、高電壓、高可靠性方向發展，對陶瓷基板的性能要求也會不斷提高。例如在電動汽車未來向更高續航里程、更強動力性能發展的過程中，需要IGBT功率器件具備更高的功率處理能力和散熱性能，那么陶瓷基板也需要相應地擁有更高的導熱率、更好的熱膨脹系數匹配性等優良性能來滿足要求，這會促使高性能陶瓷基板的需求持續增長。

• 產業鏈的協同發展推動高性能基板需求：從產業鏈來看，IGBT功率器件制造商、電子設備制造商等上游企業的發展會不斷推動陶瓷基板向高性能方向發展。因為他們在對終端產品不斷提升性能的同時，也對作為重要組件的陶瓷基板提出更高要求，這將帶動整個陶瓷基板產業鏈向高性能陶瓷基板的研發和生產方向傾斜，使市場對高性能陶瓷基板的需求不斷增大。

• 工藝技術的不斷創新

• 改進現有的陶瓷基板工藝：目前較為常見的陶瓷散熱基板工藝（HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB等）會持續改進。比如DBC工藝可能會進一步優化銅箔和陶瓷基片的鍵合方式，提高鍵合強度，增強產品在高溫等惡劣條件下的穩定性；而AMB工藝可能會在活性金屬焊料的成分優化、降低制備成本等方面取得進展。以AMB工藝制備的Si3N4陶瓷基板為例，目前盡管其綜合性能良好，但工藝復雜導致成本較高，如果能在工藝上創新，實現工藝簡化和成本降低，就更容易在更多IGBT功率器件領域中得到廣泛應用。

• 探索新的陶瓷基板制備工藝：科研人員也會探索新型的陶瓷基板制備工藝。例如開發新的燒結技術，以獲得更加致密、導熱性能更好的陶瓷基片；研究新型的陶瓷 - 金屬復合技術，使陶瓷基板的金屬層與陶瓷層之間的結合更加緊密、導電性更好。這些新的工藝技術一旦成熟，將會突破現有的技術瓶頸，推動陶瓷基板在IGBT功率器件應用中的發展進入新階段。

• 新型陶瓷材料的開發與應用

• 滿足特定需求的陶瓷材料研發：為了滿足IGBT功率器件在特殊環境（如高溫、強電磁輻射等）下的使用以及特定功能（如超高速信號傳輸等）需求，研究人員會研發新型的陶瓷材料。例如開發導熱率更高、熱膨脹系數更加匹配IGBT芯片且具備良好抗電磁干擾能力的陶瓷材料，這類材料將在新一代的高性能IGBT功率器件封裝中發揮關鍵作用。

• 多功能陶瓷材料的探索：除了基礎的散熱、絕緣等功能，探索具備更多功能的陶瓷材料也是發展趨勢之一。例如，開發既具有優秀散熱性又具有高絕緣性同時還能實現一定自我修復功能（如在一定程度的微小裂紋發生時能夠自動愈合還原性能）的陶瓷材料，應用在對安全性和可靠性要求極高的IGBT功率器件（如航空航天電源管理系統中的IGBT模塊）中，這種多功能陶瓷材料的應用有望提升IGBT功率器件的整體性能并降低故障風險。

IGBT芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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