隨著高速鐵路、城市軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)和風(fēng)能發(fā)電等行業(yè)發(fā)展，對于高壓大功率IGBT模塊的需求迫切且數(shù)量巨大。由于高壓大功率IGBT模塊技術(shù)門檻較高，難度較大，特別是要求封裝材料散熱性能更好、可靠性更高、載流量更大。高壓大功率IGBT模塊所產(chǎn)生的熱量主要是通過陶瓷覆銅板傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去的，因此陶瓷覆銅板是電力電子領(lǐng)域功率模塊封裝的不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

圖 氮化鋁陶瓷覆銅板，來源：富樂華

一、氮化鋁陶瓷基板是理想封裝材料

陶瓷覆基板是影響模塊長期使用的關(guān)鍵部分之一，IGBT模塊封裝中所產(chǎn)生的熱量主要是經(jīng)陶瓷覆銅板傳到散熱板最終傳導(dǎo)出去。陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆銅板性能的決定因素。

表1 三種陶瓷基板主要性能

目前，已應(yīng)用作為陶瓷覆銅板基板材料共有三種陶瓷，分別是氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板，主要性能如上表1所示。氧化鋁基板是最常用的陶瓷基板，但由于氧化鋁基板相對低的熱導(dǎo)率、與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好，作為高功率模塊封裝材料，氧化鋁材料的應(yīng)用前景不容樂觀。氮化硅綜合性能優(yōu)異，但氮化硅基板實(shí)際熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論熱導(dǎo)率的值，一些高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷(＞150W/(m·K))還處于實(shí)驗(yàn)室階段。

表 2 氮化鋁主要性能

氮化鋁覆銅板在熱特性方面具有非常高的熱導(dǎo)率，散熱快，能夠很好地解決熱管理問題，在應(yīng)力方面，熱膨脹系數(shù)與Si等半導(dǎo)體材料接近，整個模塊內(nèi)部應(yīng)力較低，提高了IGBT模塊的可靠性，是理想的功率電子器件封裝基板材料。

二、氮化鋁陶瓷覆銅板制作工藝比較

目前功率半導(dǎo)體器件用氮化鋁陶瓷覆銅板制作工藝主要有兩種：直接覆銅（Direct Bonded Copper, DBC ）和活性金屬釬焊（Active Metal Brazing, AMB）。

與氧化鋁不同，氮化鋁作為共價鍵結(jié)合的原子晶體，銅及銅的氧化物在其表面難以潤濕、鋪展，形成完美鍵合更不可能。因此氮化鋁DBC制備的前提是在氮化鋁表面形成可潤濕銅及銅氧化物的過渡層，廣泛使用的方法是在氮化鋁表面形成致密、均一的氧化鋁復(fù)合層。采用AMB工藝也是制備高可靠氮化鋁陶瓷覆銅板的解決方案之一。

表 不同工藝AlN陶瓷基板的性能對比

1）DBC工藝以銅和氧化鋁的共晶粘結(jié)為基礎(chǔ)，首先氧化氮化鋁基板，在其表面生長一層氧化鋁，然后通過銅和氧化亞銅進(jìn)行共晶，該共晶體一方面與氮化鋁表面的氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)尖晶石的物質(zhì)，另一方面浸潤銅箔和陶瓷實(shí)現(xiàn)陶瓷與銅箔的結(jié)合。DBC是通過鏈?zhǔn)綘t方式進(jìn)行燒結(jié)。

2）AMB工藝是DBC工藝的改進(jìn)，利用釬料（銀-銅-鈦焊料）中所含有的少量活性元素（Ti）與陶瓷反應(yīng)，生成能被液態(tài)釬料潤濕的反應(yīng)層TiN，釬焊料和銅箔通過銅銀共晶形成結(jié)合，釬焊料將陶瓷與銅箔的結(jié)合在一起。AMB由于釬焊料中的活性金屬較易氧化，因此需要采用真空燒結(jié)方式進(jìn)行燒結(jié)。

DBC是一步銅蝕刻，AMB是一步銅蝕刻和一步TiN蝕刻，其中TiN蝕刻工藝是其中的難點(diǎn),AMB-AlN結(jié)合力比DBC-AlN的強(qiáng)，可靠性更好。

隨著功率半導(dǎo)體器件特別是高壓、大電流、高頻IGBT模塊的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體器件封裝，需要開發(fā)可靠性更高、耐溫性能更好、載流能力更強(qiáng)的陶瓷覆銅基板，提升氮化鋁陶瓷的強(qiáng)度是后續(xù)繼續(xù)提升氮化鋁陶瓷覆銅板的方向。

審核編輯 ：李倩