斯利通氮化鋁/氮化硅陶瓷基板應用于IGBT模塊的研究

一、絕緣柵雙晶體管(IGBT)是實現電能轉換和控制的的電力電子器件，大規模應用于電動汽車、電力機車、智能電網等領域。氮化硅基板既具有陶瓷的高導熱性、高電絕緣性、高機械強度、低膨脹等特性，又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。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱絕緣柵雙型晶體管，是實現電能轉換和控制的的電力電子器件，具有輸入阻大、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點，被譽為現代工業變流裝置的“CPU”，在軌道交通、航空航天、新能源汽車、風力發電工業等戰略性產業廣泛應用。

隨著《中國制造2015》、《工業綠色發展專項行動實施方案》、《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》以及“特高壓規劃”等一系列的政策密集我國的高速鐵路、城市軌道交通、新能源汽車、智能電網和風能發電等項目成為未來幾年“綠色經濟”的熱點。而這些項目對于高壓大功率IGBT模塊的需求迫切且數量巨大。由于高壓大功率IGBT模塊技術門檻較高，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。但是國內相關技術水平落后導致國內高壓IGBT市場被歐、美、日等國家所壟斷，高壓IGBT產品價格高、交貨周期長、產能不足，嚴重限制了我國動力機車、電動汽車和新能源等領域的發展。

高壓大功率IGBT模塊所產生的熱量主要是通過氮化硅陶瓷覆銅板傳導到外殼而散發出去的，因此氮化硅陶瓷覆銅板是電力電子領域功率模塊封裝的不可或缺的關鍵基礎材料。它既具有陶瓷的高導熱性、高電絕緣性、高機械強度、低膨脹等特性，又具有無氧銅金屬的高導電性和優異的焊接性能，并能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形。氮化硅陶瓷覆銅板集合了功率電子封裝材料所具有的各種優點：

1)陶瓷部分具有優良的導熱耐壓特性;

2)銅導體部分具有高的載流能力;

3)金屬和陶瓷間具有較高的附著強度和可靠性;

4)便于刻蝕圖形，形成電路基板;

5)焊接性能優良，適用于鋁絲鍵合。

陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆銅板性能的決定因素。目前，已應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。氧化鋁陶瓷基板是的陶瓷基板，由于它具有好的絕緣性、好的化學穩定性、好的力學性能和低的價格，但由于氧化鋁陶瓷基片相對低的熱導率、與硅的熱膨脹系數匹配不好。作為高功率模塊封裝材料，氧化鋁材料的應用前景不容樂觀。

氮化鋁覆銅板在熱特性方面具有非常高的熱導率，散熱快;在應力方面，熱膨脹系數與硅接近，整個模塊內部應力較低，提高了高壓IGBT模塊的可靠性。這些優異的性能都使得氮化鋁覆銅板成為高壓IGBT模塊封裝的更好的選擇。

二、目前市面上將陶瓷材料金屬化的工藝方法主要有以下幾種：

DBC技術，是指在在含氧的氮氣中以1063℃左右的高溫加熱，氧化鋁或氮化鋁陶瓷表面直接焊接上一層銅箔。其基本原理是：利用了銅與氧在燒結時形成的銅氧共晶液相，潤濕相互接觸的兩個材料表面，即銅箔表面和陶瓷表面，同時還與氧化鋁反應生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等復合氧化物，充當共晶釬焊用的焊料，實現銅箔與陶瓷的牢固結合。

缺點：陶瓷與銅界面結合緊密，而且結構致密。陶瓷晶粒大約為1-5μm，與銅之間存在8-10微米的過渡層。該過渡層結構致密，晶粒約為3-5μm，但是晶粒間存在不連貫的微裂紋。陶瓷表面致密，沒有氣孔存在。表面顆粒凹凸不平，可能是拉開時裂紋沿晶界擴展，部分顆粒在銅上部分顆粒在陶瓷上導致。

AMB工藝（活性焊銅工藝）是DBC技術的進一步發展，它是利用釬料中含有的少量活性元素與陶瓷反應生成能被液態釬料潤濕的反應層，從而實現陶瓷與金屬接合的一種方法。先將陶瓷表面印刷活性金屬焊料而后與無氧銅裝夾后在真空釬焊爐中高溫焊接，覆接完畢基板采用類似于PCB板的濕法刻蝕工藝在表面制作電路后表面鍍覆制備出性能可靠的產品。AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進行化學反應來實現結合，因此其結合強度更高，可靠性更好。缺點：由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對于焊接的可靠性影響較大。

DPC陶瓷電路板又稱直接鍍銅陶瓷電路板，主要用蒸發、磁控濺射等面沉積工藝進行基板表面金屬化，先是在真空條件下濺射鈦然后再濺射銅顆粒，再進行電鍍增厚，在薄膜金屬化的陶瓷板上采用影像轉移方式制作線路，再采用電鍍封孔技術形成高密度雙面布線間的陶瓷電路板。

   斯利通公司引進的陶瓷板磁控濺射設備，采用DPC工藝生產的陶瓷線路板不需要很高的溫度實現了銅層與陶瓷層的結合，對氮化鋁覆銅板的可鍵合性進行的工藝實驗，鍵合推力均大于1700g，同時具備高導熱、高絕緣、高線路度、高表面平整度及熱膨脹系數與芯片匹配等諸多特性，滿足高壓IGBT模塊的應用可靠性要求。

斯利通公司的陶瓷線路板對溫度沖擊的可靠性是其性能的關鍵因素，要求線路板基板在芯片焊接完成后，要能承受-40℃～+150℃,100次的溫度循環。

三、高壓IGBT模塊用陶瓷覆銅基板發展方向

以碳化硅、氮化為代表的第三代半導體材料的出現，為器件性能的進一步大幅度提高提供了可能。針對SiC基/GaN基三代半導體器件高頻、高溫、大功率的應用需求，為實現大功率電力電子器件高密度三維模塊化封裝，需要開發可靠性更高、耐溫性能更好、載流能力更強的陶瓷覆銅基板。氮化硅陶瓷基板具有低的2.4倍于氧化鋁和氮化鋁的彎強度，因此具有比氮化鋁和氧化鋁高的多的可靠性，尤其是高強度可以實現其與厚銅基板的覆接，大幅提高基板的熱性能。相對于氮化鋁和氧化鋁，氮化硅陶瓷覆銅板在電流承載能力、散熱能力、力學性能、可靠性等方面均具有明顯優勢。同時，β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導率( 200~320W/m•K)，但是其微觀結構更為復雜，對聲子的散射較大，故熱導率較低[]，限制了其作為功率模塊基板材料的應用。因此，目前更多的研究關注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導率。

高導熱陶瓷應具備以下條件：

1. 平均原子量小;
2. 原子鍵合強度高;
3. 晶體結構較為簡單;
4. 晶格非諧性振動低。

提高氮化硅陶瓷熱導率的方法包括：

（1）β-Si3N4相晶種的引入;

（2）燒結助劑的選擇;

（3）成型工藝以及熱處理工藝。

因此，在高功率IGBT模塊領域，氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無氧銅以及更高的可靠性在未來電動汽車用高可靠功率模塊中應用廣泛。根據材料及工藝特性展示了陶瓷覆銅板的技術發展方向，在大功率功率模塊領域氮化鋁陶瓷覆銅板為主要發展方向，在高可靠功率模塊領域氮化硅陶瓷覆銅板為主要發展方向。

　　隨著我國戰略性新興產業的興起，電力電子技術在風能、太陽能、熱泵、水電、生物質能、綠色建筑、新能源裝備、電動汽車、軌道交通等制造業等重要領域都發揮著重要的作用，而這其中的許多領域在“十三五”規劃中都具備萬億以上的市場規模，其必將帶來電力電子技術及其產業的高速發展，迎來重大的發展機遇期。這些將對IGBT模塊封裝的關鍵材料---陶瓷覆銅板形成了巨大需求。因此，需要抓住機遇，開發系列化的陶瓷覆銅基板以適應不同領域的需求，特別是需要加快高可靠氮化鋁基板、氮化硅基板的研發及產業化進度，為我國高壓IGBT模塊的國產化奠定基礎。